陳華軒

［摘 要］靜摩擦力是高中物理的重點(diǎn)和難點(diǎn)，較為抽象，學(xué)生不易理解。教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材在探究靜摩擦力的方向及大小的變化特點(diǎn)上存在不足。為了幫助學(xué)生更好地理解靜摩擦力，探究靜摩擦力的大小及方向的變化特點(diǎn)，教師可自制靜摩擦力演示儀，引導(dǎo)學(xué)生探究不同場景下的靜摩擦力，進(jìn)而讓學(xué)生掌握靜摩擦力的變化情況。

［關(guān)鍵詞］自制教具；不同場景；靜摩擦力

［中圖分類號(hào)］? ? G633.7? ? ? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? ? A? ? ? ? ? ［文章編號(hào)］? ? 1674-6058（2023）15-0047-03

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中提到：“引導(dǎo)教學(xué)更加關(guān)注育人目的，更加注重培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)?！蔽锢韺W(xué)科核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面。實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，其貫穿整個(gè)物理教學(xué)，是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)必不可少的手段。在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、突破教學(xué)重難點(diǎn)上實(shí)驗(yàn)的作用更是顯而易見。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和育人理念的更新，物理教師對實(shí)驗(yàn)的重視程度也在逐步提升。由于學(xué)校實(shí)驗(yàn)器材的限制等，使得部分實(shí)驗(yàn)無法順利開展，為此物理教師選擇了自制教具輔助教學(xué)，收到了不錯(cuò)的效果，也給課堂增色不少。本文主要闡述如何利用自制教具——靜摩擦力演示儀突破教學(xué)難點(diǎn)。

一、 教材中關(guān)于靜摩擦力的演示

“摩擦力”是人教版高中物理教材必修第一冊第三章第二節(jié)的內(nèi)容。摩擦力是高中物理的一個(gè)重點(diǎn)知識(shí)，同時(shí)也是大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)。尤其是靜摩擦力，一直以來都被學(xué)生認(rèn)為是一塊難啃的“硬骨頭”。教材課后練習(xí)中從方向和大小兩個(gè)方面引導(dǎo)學(xué)生對靜摩擦力展開了探究。其中，探究靜摩擦力方向的主要有三個(gè)小實(shí)驗(yàn)：手壓著桌面向前移動(dòng)，會(huì)明顯地感到桌面對手有向后的靜摩擦力；手握住玻璃瓶，如果松手，玻璃瓶將會(huì)豎直下落，說明玻璃瓶受到向上的靜摩擦力；水平推木箱，但沒有推動(dòng)，根據(jù)二力平衡可知，木箱受到與推力方向相反的靜摩擦力。探究靜摩擦力大小的實(shí)驗(yàn)則有：用彈簧測力計(jì)沿水平方向拉靜止在水平桌面上的木塊，彈簧測力計(jì)的讀數(shù)即為木塊所受到的靜摩擦力的大小。這些實(shí)驗(yàn)簡單易操作，但也存在以下不足：（1）無法直觀觀察到靜摩擦力的方向；（2）無法同時(shí)顯示靜摩擦力大小、方向的變化。為此，筆者自制了靜摩擦力演示儀，并用其輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

二 、靜摩擦力演示儀介紹

（一）裝置與結(jié)構(gòu)

靜摩擦力演示儀的裝置與結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

靜摩擦力演示儀主要分為箱體、毛刷兩個(gè)部分。箱體用于演示靜摩擦力的大小，毛刷用于演示靜摩擦力的方向。箱體內(nèi)部裝有兩根橫梁，其中一根橫梁的左右兩端各串有一根彈簧，彈簧一端與箱體側(cè)面固定，另一端與塑料管連接，塑料管下端與一方形摩擦塊相連，摩擦塊底面與毛刷下端基本持平。左右彈簧使塑料管處于平衡狀態(tài)，用力向右輕推箱體，使箱體有相對地面向右運(yùn)動(dòng)的趨勢，毛刷傾斜，定性顯示靜摩擦力的方向。摩擦塊受到相對桌面向左的靜摩擦力，靜摩擦力的大小由指針指示刻度顯示，當(dāng)然，刻度顯示的不是摩擦力大小的具體讀數(shù)，而是摩擦力大小的變化情況。

（二）制作材料

彈簧、刻度板、木箱、金屬桿、毛刷、滑塊、塑料管。

（三）制作方法

1.準(zhǔn)備一個(gè)箱體，去掉箱體下底面，在箱體的上底面中間開一個(gè)長方形的槽（見圖3）。

2.在箱體的中間位置水平安裝兩根金屬橫梁，在一根塑料管的中間位置鉆四個(gè)小孔，讓橫梁從小孔穿過，調(diào)節(jié)塑料管，使其可以在橫梁上左右移動(dòng)（見圖4），并且使摩擦盡可能小。

3.將兩根勁度系數(shù)適中的彈簧穿在其中一根橫梁的左右兩端，彈簧一端與箱體側(cè)面固定，另一端與塑料管固定（見圖5）。

4.塑料管下端固定一個(gè)方形鐵塊充當(dāng)摩擦塊（見圖6）。

5.在塑料管的上端裝上指針，在指針后面豎直安裝一塊紙板并在紙板上畫出刻度（見圖7）。

6.在箱體下端裝上軟毛，并用細(xì)繩將軟毛分成小束（見圖8）。

三、應(yīng)用靜摩擦力演示儀探究三種場景下的靜摩擦力的情況

靜摩擦力演示儀可以用于探究三種場景下物體所受靜摩擦力的情況。

（一）水平方向上的物體所受的靜摩擦力隨外力變化的情況

將靜摩擦力演示儀置于粗糙的水平桌面上，調(diào)節(jié)刻度板，使指針指在中間刻度線處。往左輕推靜摩擦力演示儀，使箱體有相對桌面向左運(yùn)動(dòng)的趨勢，此時(shí)，毛刷向右傾斜，同時(shí)指針向右偏（見圖9），表示箱體受到的靜摩擦力方向向右。繼續(xù)增大推力，但仍保持箱體相對桌面靜止，發(fā)現(xiàn)毛刷傾斜方向不變，指針偏轉(zhuǎn)幅度變大，表示箱體受到的靜摩擦力變大（見圖10）。

（二）斜面上的物體所受的靜摩擦力隨外力變化的情況

調(diào)節(jié)靜擦力演示儀的刻度板，使指針指在中間刻度線處。將靜擦力演示儀置于粗糙斜面上，在重力的作用下，靜擦力演示儀有沿斜面向下運(yùn)動(dòng)的趨勢，此時(shí)，指針向右偏轉(zhuǎn)，毛刷沿斜面向上傾斜，顯示箱體受到的靜摩擦力方向沿斜面向上（見圖11）。用沿斜面向上的力輕推靜摩擦力演示儀（見圖12），逐漸增大推力，但仍保持箱體相對斜面靜止，可看到靜摩擦力先變小后變大，方向由沿斜面向上變?yōu)檠匦泵嫦蛳拢ㄒ妶D13）。

該實(shí)驗(yàn)還可以拓展為探究物體在傾斜傳送帶上隨傳送帶一起運(yùn)動(dòng)時(shí)所受靜摩擦力的情況。如讓某一木板保持一定的傾斜角勻速上行或下行，令靜摩擦力演示儀與木板始終保持相對靜止，觀察到毛刷均沿斜面向上傾斜，顯示物體受到的靜摩擦力方向均沿斜面向上。改變木板的運(yùn)動(dòng)速度，可以觀察到較復(fù)雜運(yùn)動(dòng)情況下物體所受靜摩擦力的情況。

（三）物體水平加速或減速時(shí)靜摩擦力的變化情況

在汽車上安裝一塊水平粗糙木板，將靜摩擦力演示儀放在水平木板上，調(diào)節(jié)刻度板，使指針指在中間刻度線處。將汽車開至車流量較小的平直馬路上，以較大的加速度給汽車加速，此時(shí)指針向右偏轉(zhuǎn)，毛刷向右傾斜（見圖14），與汽車前進(jìn)方向一致。接著，緊急剎車使汽車減速，此時(shí)指針向左偏轉(zhuǎn)，毛刷向左傾斜（見圖15），表示箱體受到與汽車前進(jìn)方向相反的靜摩擦力。

教師將此實(shí)驗(yàn)拍成視頻，然后在課堂上給學(xué)生展示。

通過運(yùn)用靜摩擦力演示儀對三種常見場景下的靜摩擦力展開探究，學(xué)生對靜摩擦力的變化特點(diǎn)理解更加深刻，突破了教學(xué)難點(diǎn)。同時(shí)，在探究的過程中，學(xué)生的物理觀念、科學(xué)探究等核心素養(yǎng)也得到了很好的提升。

四、靜摩擦力在高考中的體現(xiàn)

靜摩擦力為高考物理的必考考點(diǎn)，題型不一、難度偏大，但總體而言，大部分考查靜摩擦力的題目情境都是上述三種常見場景的延伸。如，2019年高考全國Ⅰ卷物理試題第19題就對第二種場景進(jìn)行了考查。題目：如圖16所示，一粗糙斜面固定在地面上，斜面頂端裝有一光滑定滑輪。一細(xì)繩跨過滑輪，其一端懸掛物塊[N]，另一端與斜面上的物塊[M]相連，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)?，F(xiàn)用水平向左的拉力緩慢拉動(dòng)[N]，直至懸掛[N]的細(xì)繩與豎直方向成45°。已知[M]始終保持靜止，則在此過程中（）。

A. 水平拉力的大小可能保持不變

B. [M]所受細(xì)繩的拉力大小一定一直增加

C. [M]所受斜面的摩擦力大小一定一直增加

D. [M]所受斜面的摩擦力大小可能先減小后增加

這道題可先對[N]進(jìn)行受力分析，得出細(xì)繩的拉力大小一直在增加，然后對[M]進(jìn)行受力分析，顯而易見，[M]受到的靜摩擦力的變化情況與第二種場景一致。運(yùn)用斜面上物體靜摩擦力隨外力的變化特點(diǎn)分析得出，[M]所受斜面的摩擦力大小可能是先減小后增加。

又如，2014年高考江蘇卷物理試題第8題：如圖17所示，[A]、[B]兩物塊的質(zhì)量分別為2[m]和[m]，靜止疊放在水平地面上。A、B間的動(dòng)摩擦因數(shù)為[μ]，[B]與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為[12μ]。最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力，重力加速度為[g]。現(xiàn)對[A]施加一水平拉力[F]，則（）。

A. 當(dāng)[F<2μmg]時(shí)，[A]、[B]都相對地面靜止

B. 當(dāng)[F=5/2μmg]時(shí)，[A]的加速度為[1/3μg]

C. 當(dāng)[F>3μmg]時(shí)，[A]相對[B]滑動(dòng)

D. 無論[F]為何值，[B]的加速度不會(huì)超過[1/2][μg]

這道題屬于力與運(yùn)動(dòng)的模塊，解題的關(guān)鍵在于分析出[A]與[B]、[B]與地面之間的摩擦力的變化情況。在[A]與[B]、[B]與地面未發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體受到的摩擦力均為靜摩擦力。運(yùn)用水平方向上的物體所受的靜摩擦力隨外力變化的特點(diǎn)，以及結(jié)合牛頓第二定律即可得出答案。

五、靜摩擦力演示儀的優(yōu)點(diǎn)

靜摩擦力演示儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 取材簡單，制作成本低。演示儀的制作材料大部分來源于實(shí)驗(yàn)廢棄用料，變廢為寶，成本接近零。

2. 能演示多種場景下靜摩擦力的變化情況，彌補(bǔ)教材中只演示水平方向、豎直方向上物體所受的靜摩擦力的變化情況的不足。

3. 將靜摩擦力的大小和方向展示融為一體，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材難以同時(shí)展示的不足。

4. 操作簡易，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象穩(wěn)定直觀。

六、教學(xué)實(shí)踐體會(huì)

隨著新課程改革的不斷推進(jìn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)量大大增加，實(shí)驗(yàn)方法不斷改進(jìn)，教師積極開發(fā)與應(yīng)用自制教具有著積極的意義。

1. 自制教具有高度的靈活性、直觀性和針對性的特點(diǎn)，可以增加學(xué)生的直觀體驗(yàn)，形象化理論知識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生理解知識(shí)，有效突破教學(xué)難點(diǎn)。

2.自制教具是教師為了突破教學(xué)難點(diǎn)而進(jìn)行的“創(chuàng)造”，同時(shí)也是教師對實(shí)驗(yàn)的一種態(tài)度。這種態(tài)度直接影響學(xué)生，如果教師能經(jīng)常向?qū)W生展示自己的“自創(chuàng)產(chǎn)品”，學(xué)生也會(huì)在潤物細(xì)無聲中躍躍欲試，教師適時(shí)地加以引導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手制作學(xué)具，能更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及解決問題的能力，鍛煉學(xué)生的觀察能力和思維能力，促使學(xué)生得到全面發(fā)展，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

3.教具的制作過程涉及大量的學(xué)科知識(shí)和實(shí)踐技術(shù)，設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試等環(huán)節(jié)均需要教師具備創(chuàng)造能力和突破精神，且這些環(huán)節(jié)的反復(fù)推敲亦充滿挑戰(zhàn)和樂趣。在制作教具的過程中，教師的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、思維水平都會(huì)逐漸提高。因此，自制教具也是提升教師個(gè)人專業(yè)素養(yǎng)的有效途徑。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］? 吳廣國，鄒斌. 測量靜摩擦力大小實(shí)驗(yàn)中需要關(guān)注的三個(gè)問題［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2021（10）：49-51.

［3］? 蔡鉗，陳信余. 再議“摩擦力”教學(xué)中的幾個(gè)疑慮［J］.物理教師，2020（7）：60-61，63.

［4］? 王松，王國強(qiáng)，徐進(jìn)紅.高中物理教學(xué)中自制教具的開發(fā)與利用實(shí)踐研究［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2022（34）：47-51.

（責(zé)任編輯 黃春香）