孫立婷 姜靜

摘?要：探究滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的過程對培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要價(jià)值，設(shè)計(jì)了探究此規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方案和教學(xué)思路，證明了動摩擦因數(shù)與接觸面的粗糙程度以及材料都有關(guān)系.

關(guān)鍵詞：滑動摩擦力;動摩擦因數(shù);教材處理;物理學(xué)科核心素養(yǎng)

文章編號：1008-4134（2020）01-0047?中圖分類號：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

作者簡介：孫立婷（1996-），女，山東青島人，碩士研究生，研究方向：物理學(xué)科教學(xué);

姜靜（1963-），女，山東濟(jì)南人，本科，副教授，研究方向：物理教育、大學(xué)物理.

2019年秋季學(xué)期，與《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》（以下簡稱新課標(biāo)）配套的“人教版普通高中物理教科書（2019版）”（以下簡稱新教材）正式啟用了，在使用新教材進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的得出需要進(jìn)行教材處理，遂對此問題進(jìn)行了探索，提出了處理的方案.

1?滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的教材分析

1.1?探究滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的過程對發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的作用

從發(fā)展學(xué)生物理觀念的角度來看，摩擦力是“運(yùn)動與相互作用”觀念中的重要概念，滑動摩擦力的規(guī)律又是摩擦力中的重要知識，也是后續(xù)學(xué)習(xí)中經(jīng)常會用到的，因此應(yīng)該將其作為本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)之一.根據(jù)物理教學(xué)論關(guān)于物理規(guī)律教學(xué)的一般過程和要求，滑動摩擦力的公式Ff=μFN是個(gè)物理規(guī)律，而物理規(guī)律是觀察與實(shí)驗(yàn)、思維與想象相結(jié)合的產(chǎn)物，學(xué)生經(jīng)歷探究過程，有利于他們正確、深入地理解這一規(guī)律.根據(jù)學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，高一學(xué)生抽象思維能力還不完善，學(xué)習(xí)物理規(guī)律還需要一定的感性材料支撐，而實(shí)驗(yàn)探究可以為學(xué)生提供豐富而詳實(shí)的感性材料.根據(jù)教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，滑動摩擦力的方向是教學(xué)的難點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)探究，有助于學(xué)生突破這一難點(diǎn).從發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的角度看，在探究滑動摩擦力規(guī)律的過程中，猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、分析與論證等探究要素中蘊(yùn)含著多種科學(xué)思維方法，有利于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力.從科學(xué)探究的角度來看，滑動摩擦力規(guī)律的實(shí)驗(yàn)探究過程，能夠培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力.從科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的角度來看，滑動摩擦力規(guī)律的實(shí)驗(yàn)探究過程，能夠培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，并有利于激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣.綜上，滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的探究過程對發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要作用.

1.2?課程標(biāo)準(zhǔn)對“滑動摩擦力”的要求

對比分析高中物理新課標(biāo)以及《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》對“摩擦力”的相關(guān)要求可知，“能用動摩擦因數(shù)計(jì)算滑動摩擦力的大小”[1]應(yīng)該是高中物理 “摩擦力”一節(jié)的重點(diǎn)之一.通過探究過程發(fā)現(xiàn)滑動摩擦力的規(guī)律Ff=μFN有利于突出這一重點(diǎn).研究滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的實(shí)驗(yàn)雖然不是新課標(biāo)要求的學(xué)生必作實(shí)驗(yàn)，但新課標(biāo)在學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)的開篇也指出：“學(xué)校應(yīng)充分利用已有的實(shí)驗(yàn)器材，努力開發(fā)適合本校情況的實(shí)驗(yàn)課程資源，盡可能讓學(xué)生自己動手多做實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)”[1].

1.3?新教材中滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的得出需要進(jìn)行教材處理

新教材簡略給出了一個(gè)證明滑動摩擦力與壓力成正比的實(shí)驗(yàn)示意圖（如圖1所示），木塊放在相對地面靜止的木板上，勻速拉動木塊勾連的彈簧測力計(jì)，觀察彈簧測力計(jì)的示數(shù).這種實(shí)驗(yàn)方案存在困難：很難做到勻速拉動;難以精確讀取運(yùn)動著的彈簧測力計(jì)的示數(shù).而關(guān)于動摩擦因數(shù)與接觸面粗糙程度及材料的關(guān)系，新教材則沒有給出證明的方法.

綜上所述，我們認(rèn)為在教學(xué)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)新課標(biāo)的要求以及發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，對滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的得出進(jìn)行教材處理.

2?培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的“滑動摩擦力規(guī)律”教材處理

為了更好地利用教材，發(fā)展學(xué)生的物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，突出重點(diǎn)和突破難點(diǎn)，結(jié)合新課標(biāo)的要求，筆者設(shè)計(jì)了如下滑動摩擦力規(guī)律的探究方案.

2.1?提出問題

引導(dǎo)學(xué)生提出問題：在初中的學(xué)習(xí)中，我們已經(jīng)知道，滑動摩擦力與壓力有關(guān)，壓力越大，滑動摩擦力越大.那么，滑動摩擦力與壓力有什么定量關(guān)系？

2.2?猜想與假設(shè)

引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有知識（壓力越大，滑動摩擦力越大）作出猜想.如猜想：滑動摩擦力與壓力成正比;與壓力平方成正比;與壓力三次方成正比……

2.3?設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

教學(xué)中先引導(dǎo)學(xué)生分析圖1所示實(shí)驗(yàn)方案的困難：很難做到勻速拉動、難以精確讀取運(yùn)動著的彈簧測力計(jì)的示數(shù)，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考如何加以改進(jìn).

引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用等效法設(shè)計(jì)出圖2所示的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置.將彈簧測力計(jì)和滑輪固定在豎直放置的木板上.用一低速同步電機(jī)（型號為49TYJ，轉(zhuǎn)速為5轉(zhuǎn)/分）帶動主動輪和從動輪轉(zhuǎn)動，從而使?jié)L軸帶動傳送帶（橡膠材質(zhì)）相對于地面運(yùn)動， 標(biāo)記物a固定在傳送帶的支架上，用來顯示物塊和地面保持相對靜止.把質(zhì)量為50g的物塊（木塊或鐵塊）放在橡膠帶上，橡膠帶與物塊之間可以墊上不同材料、不同粗糙度的薄板以改變接觸面的材料和粗糙度，標(biāo)記物b固定在傳送帶上，用來顯示傳送帶與物塊的相對運(yùn)動，物塊的一端通過細(xì)繩和定滑輪與彈簧測力計(jì)相連.

帶領(lǐng)學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)原理：首先明確運(yùn)動方向，傳送帶相對于地面向左運(yùn)動，物塊相對地面靜止.其次，分析受力如圖3所示，明確物塊受到向左的滑動摩擦力Ff，物塊靜止所以物塊所受滑動摩擦力Ff和繩子給物塊的拉力F1二力平衡，即Ff=F1.由于繩的張力處處相等，F(xiàn)1與繩子給定滑輪的力F2相等，即F1=F2.定滑輪只改變力的方向不改變力的大小，F(xiàn)2與改變方向后的力F3相等，即F2=F3.彈簧測力計(jì)靜止，因此繩子對彈簧測力計(jì)的拉力F4和彈簧測力計(jì)的彈力F彈二力平衡，即F4=F彈.由Ff=F1=F2=F3=F4=F彈，最終得出Ff=F彈，即彈簧測力計(jì)的示數(shù)就是滑動摩擦力的大小.

帶領(lǐng)學(xué)生確定實(shí)驗(yàn)方法：為了使所得結(jié)論具有普遍適用性，改變兩個(gè)物體之間接觸面的材料和粗糙程度，多做幾組實(shí)驗(yàn).將同學(xué)們分為四個(gè)小組，四個(gè)組的實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生滑動摩擦力的兩個(gè)物體分別是：接觸面較為光滑的木塊與橡膠傳送帶;接觸面較為粗糙的木塊與橡膠傳送帶;接觸面較為光滑的鐵塊與橡膠傳送帶;接觸面較為粗糙的鐵塊與橡膠傳送帶.

帶領(lǐng)學(xué)生確定實(shí)驗(yàn)步驟：將木塊或者鐵塊放在傳送帶上，等物塊相對地面靜止時(shí)，讀出彈簧測力計(jì)示數(shù).然后通過在物塊上不斷增加質(zhì)量為50g的砝碼的個(gè)數(shù)，從而不斷改變壓力大小，待物塊與地面保持相對靜止時(shí)讀取數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)五次，記錄滑動摩擦力的大小.

帶領(lǐng)學(xué)生根據(jù)猜想設(shè)計(jì)記錄數(shù)據(jù)的表格：以Ff表示滑動摩擦力、FN表示壓力，設(shè)計(jì)記錄數(shù)據(jù)的表格見表1.

帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)處理數(shù)據(jù)的方法：（1）解析法（用公式處理數(shù)據(jù)），即計(jì)算Ff/FN，如果Ff/FN的比值為定值，則證明成正比的猜想成立，否則再計(jì)算Ff/FN2;（2）圖像法：以FN為橫坐標(biāo)、Ff為縱坐標(biāo)畫圖像，如果是直線，則證明成正比的猜想正確，否則以FN2為橫坐標(biāo)、Ff為縱坐標(biāo)畫圖像;（3）比較法：將圖像畫在透明膠片上，并將膠片的坐標(biāo)原點(diǎn)、橫縱坐標(biāo)重合，比較各組的圖像.

2.4?進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)

為了充分發(fā)揮本實(shí)驗(yàn)探究的多方面作用，最好是準(zhǔn)備多組實(shí)驗(yàn)器材，安排學(xué)生課內(nèi)或課外分組實(shí)驗(yàn)，至少也應(yīng)該課堂上讓學(xué)生配合教師做演示實(shí)驗(yàn).進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中記錄數(shù)據(jù)，表2、3、4、5列出了四個(gè)組所做實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù).

2.5?分析與論證

首先，帶領(lǐng)學(xué)生運(yùn)用解析法得到表2、3、4、5中的第四行數(shù)據(jù)，再利用圖象法在透明膠片上做出Ff～FN圖像，如圖4、5、6、7所示.進(jìn)而總結(jié)出無論何種材料及何種接觸面粗糙程度，滑動摩擦力Ff與壓力FN都成正比，于是引入動摩擦因數(shù)的概念，并將其記為μ;其次，引導(dǎo)學(xué)生比較各組得到的μ.將材料相同粗糙程度不同的兩個(gè)組所得實(shí)驗(yàn)圖像膠片疊合起來，使橫、縱坐標(biāo)軸及原點(diǎn)重合，可直觀地通過斜率比較兩組實(shí)驗(yàn)所得μ，發(fā)現(xiàn)μ和粗糙程度有關(guān)，粗糙程度越大，μ越大;比較接觸面較為光滑而材料不同的兩組實(shí)驗(yàn)所得μ，發(fā)現(xiàn)并不相同;比較接觸面較為粗糙而材料不同的兩組實(shí)驗(yàn)所得μ，發(fā)現(xiàn)也并不相同.于是引導(dǎo)學(xué)生猜想μ除了與接觸面的粗糙程度有關(guān)之外，可能還和接觸面的材料有關(guān).

接著進(jìn)一步帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).運(yùn)用控制變量法，保持接觸面粗糙程度不變，改變接觸面的材料，每種材料的情況下改變壓力大小重復(fù)試驗(yàn)五次，記錄滑動摩擦力與壓力的大小，計(jì)算比例系數(shù)μ.具體材料和接觸表面的搭配是：木塊與玻璃板（玻璃板墊在木塊與傳送帶之間并與傳送帶保持靜止）;木塊與塑料板（塑料板墊在木塊與傳送帶之間并與傳送帶保持靜止）;控制木塊完全相同，并控制玻璃板和塑料板表面的粗糙程度相同（在顯微鏡下觀察玻璃板和塑料板表面，若觀察到的表面情況幾乎無差別即可近似認(rèn)為粗糙程度相同），也可以使用手機(jī)貼膜的兩個(gè)表面：塑料薄膜面和鋼化膜面（在顯微鏡下觀察兩個(gè)表面，觀察到的表面情況幾乎無差別）代替玻璃板和塑料板.接下來讓學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn).表6、7是我們用手機(jī)貼膜的兩個(gè)表面所做實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)結(jié)束后引導(dǎo)學(xué)生再用上文所述解析法和圖像法（如圖8、9所示）處理數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)接觸面粗糙程度相同、材料不同時(shí)，比例系數(shù)μ不同.

最后歸納得出結(jié)論：滑動摩擦力大小與壓力大小成正比，即Ff=μFN，比例系數(shù)即動摩擦因數(shù)μ與兩個(gè)物體接觸面的材料和粗糙程度都有關(guān)系，接觸面材料相同時(shí)，粗糙程度越大，μ越大.

3?反思與啟示

如上所述的教材處理方法，凸顯了對學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng).在探究滑動摩擦力與壓力的定量關(guān)系中學(xué)生發(fā)現(xiàn)了新的問題（滑動摩擦因數(shù)是否與材料的種類有關(guān)？），進(jìn)而展開進(jìn)一步的再探究，使學(xué)生體驗(yàn)了真實(shí)探究過程的曲折與艱辛;用手機(jī)貼膜的正反兩個(gè)表面保證粗糙程度基本一致，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度;探究中的猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與論證諸環(huán)節(jié)中用到了多種心理學(xué)層面的科學(xué)思維方法和物理學(xué)科層面的科學(xué)方法，經(jīng)歷了多種科學(xué)思維過程，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力，也使學(xué)生學(xué)習(xí)了物理科學(xué)方法;在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的過程中使學(xué)生真切體會不迷信書本的創(chuàng)新精神;學(xué)生通過探究促進(jìn)了自身對滑動摩擦力規(guī)律的建構(gòu)，有利于物理觀念的形成;最終結(jié)論的得出證實(shí)了課本上的結(jié)論，使學(xué)生體驗(yàn)到了獲得成功的喜悅.

如何在新課標(biāo)的指導(dǎo)下利用新教材，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，是高中物理教學(xué)中亟待解決的新問題.要在教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，首先要對教材進(jìn)行分析，分析的主要依據(jù)是：新課標(biāo)提出的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)方面、新課標(biāo)的課程內(nèi)容部分對具體教學(xué)內(nèi)容的要求、物理學(xué)科的知識體系、學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律.其次要不拘泥于教材，要充分挖掘章節(jié)具體教材所隱含的發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的作用，創(chuàng)造性地對教材內(nèi)容進(jìn)行重組、改進(jìn)和補(bǔ)充，設(shè)計(jì)有助于全面達(dá)成新課標(biāo)核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)過程，將發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)落實(shí)到課堂教學(xué)中.

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（收稿日期：2019-10-31）