摩擦力教學(xué)難點突破

“摩擦力”教學(xué)難點突破

一、教學(xué)設(shè)計思路摩擦力的教學(xué)內(nèi)容是人教版《高中物理必修1》第三章第三節(jié)，是本冊書的重點亦是難點章節(jié)。如何將靜摩擦力產(chǎn)生的條件、大小與方向的確定和難點化解，如何在初中知識背景下強化滑動摩擦力大小的探究進而得到信度較高的結(jié)論，成為本節(jié)課教學(xué)任務(wù)能否順利完成的關(guān)鍵所在。鑒于此，筆者在靜摩擦力教學(xué)中，通過對生活中常見的小實驗進行細致的分析和推理，得到靜摩擦力產(chǎn)生的三個必要條件。通過自制的“絞車測力計”（見圖1），將實驗室中常用的彈簧測力計的外殼與滑塊固定，掛鉤與微型絞車相連，微型絞車是在滑輪木板中去掉定滑輪附件、在固定定滑輪的端口插入由自行車輻條折成的簡易手柄改裝而成，通過端口螺母可將手柄搖過的角度固定在任一值（圖2）。將整個靜態(tài)過程拉伸并逐一定格：在保持木塊的靜止?fàn)顟B(tài)下，緩緩搖動手柄可停頓在任一角度并讀出拉力的數(shù)值，由此得到靜摩擦力的方向與大小特征。圖1圖2在滑動摩擦力的教學(xué)中，突出滑動摩擦力量化規(guī)律的探尋，在探尋中充分展現(xiàn)控制變量法的重要作用?；诨瑒幽Σ亮_測定較為困難，學(xué)生分組實驗耗時過多且不易得到一個較好的量化結(jié)論，筆者利用微型傳送帶（見圖3，由微型直流電動機驅(qū)動傳送帶，傳送帶上小木塊通過細線和測力計相連，受到的滑動摩擦力可由放大了刻度和指針的彈簧測力計顯現(xiàn)）將運動物體置換為相對皮帶滑動而對觀察者靜止的物體，從而較為準(zhǔn)確地測定滑動摩擦力。在介紹實驗裝置和基本原理后，可由學(xué)生提出實驗方案并請三位同學(xué)上講臺完成滑動摩擦力與壓力關(guān)系的實驗探究。為了使實驗更加緊湊，可利用“電子表格”中的運算功能來處理數(shù)據(jù)。圖3除此之外，還可通過變換木塊與傳送帶的接觸面積、調(diào)整傳送帶運行速度，得到滑動摩擦力與接觸面積、相對速度無關(guān)的結(jié)論。為了加深滑動摩擦力與最大靜摩擦力大小關(guān)系的印象，可在絞車測力計刻度槽中嵌入小卡片，變成了“記憶測力計”（記錄曾經(jīng)有過的最大拉力）。緩緩搖動手柄，將木塊由靜止拉至勻速運動，提醒學(xué)生注意觀察木塊勻速運動后測力計指針的位置與卡片位置關(guān)系，得到在相同的條件下滑動摩擦力略小于最大靜摩擦力的結(jié)論；或利用力傳感器通過力的動態(tài)曲線說明兩者的關(guān)系。二、教學(xué)目標(biāo)知識與技能：(1)知道靜摩擦力產(chǎn)生條件，能由相對運動的趨勢判斷靜摩擦力的方向，并能根據(jù)平衡條件計算靜摩擦力的大小。(2)掌握滑動摩擦力的規(guī)律，能由動摩擦因數(shù)計算滑動摩擦力的大小，并能由相對運動方向判斷滑動摩擦力的方向。過程與方法：(1)通過靜摩擦力產(chǎn)生條件的探尋，體驗透過現(xiàn)象看本質(zhì)的科學(xué)思維方法。(2)通過對滑動摩擦力規(guī)律的探究，體驗在實驗中控制變量和實驗條件的研究方法。情感、態(tài)度和價值觀：通過實驗探尋和生活實例的分析，讓學(xué)生體會到生活與物理密切相關(guān)，培養(yǎng)學(xué)生由實踐—認(rèn)識—再實踐—再認(rèn)識的科學(xué)認(rèn)知方法。三、教學(xué)重點與難點(1)靜摩擦力的產(chǎn)生條件和靜摩擦力方向判斷。(2)滑動摩擦力規(guī)律的實驗探尋。四、教學(xué)資源器材與教具：自制絞車測力計，微型傳送帶及相關(guān)附件1套，力傳感器及附件1套，竹筷子及塑料筷子各1雙，砝碼1組，塑料瓶1只，多媒體課件等。課件：相關(guān)資源（圖片、視頻、電子表格數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)）。五、教學(xué)過程實錄［實驗1］引導(dǎo)學(xué)生將右手掌壓緊桌面，體驗桌面的彈力，然后順著桌面方向前推手掌，會明顯地感受到一個阻礙手掌運動的力，且壓桌面越緊，推動手掌越困難。教師：這種阻礙手掌起動和相對運動的力是一種時時相伴我們身邊但又不易被察覺的力——摩擦力，這節(jié)課我們就一起來認(rèn)識它。［板書］第三節(jié)摩擦力教師：在剛才的實驗中，阻礙手掌起動的力，產(chǎn)生在兩個相對靜止但是又有運動趨勢的兩物體間，叫靜摩擦力；當(dāng)手掌起動后，阻礙手掌運動的力產(chǎn)生在發(fā)生相對運動的物體間，叫滑動摩擦力。這兩類摩擦力各有特點，它們產(chǎn)生的條件、大小和方向有各自的規(guī)律。［板書］靜摩擦力［板書］(1)靜摩擦力產(chǎn)生的條件對滑塊、木板、彈簧測力計、絞車裝置作一簡單的介紹。［實驗2］如圖4，緩緩搖動絞車手柄，用實物投影儀顯現(xiàn)彈簧測力計的刻度，提醒學(xué)生注意觀察彈簧測力計的讀數(shù)有無變化，木塊是否移動（使彈簧測力計讀數(shù)逐漸增至某值，木塊相對木板靜止）。圖4［實驗3］輕輕提起瓶子，瓶子靜止在空中。教師：拉物體不動或持物品于手中，這是我們常見的生活景象。從這兩個現(xiàn)象中，我們能獲取有關(guān)靜摩擦力的哪些信息呢？設(shè)問：彈簧測力計給木塊施加了什么方向的作用力？木塊“想”往什么方向運動？木塊為何又不動？當(dāng)撤去拉力時，靜摩擦力還存在嗎？學(xué)生：當(dāng)木塊“想”往某個方向運動時，靜摩擦力才會出現(xiàn)。設(shè)問：受重力作用的瓶子為何沒有下落？手握緊瓶子的力（彈力）小一些，小到僅僅讓手與瓶子保持接觸，情景如何？學(xué)生：沒有了彈力，靜摩擦力也就消失了。教師：上述兩例中，在物體的接觸面上都出現(xiàn)了靜摩擦力，請同學(xué)們思考靜摩擦力產(chǎn)生的條件。靜摩擦力產(chǎn)生的條件。［板書］①兩物體間有相對運動的趨勢［板書］②兩相對靜止的物體直接接觸，在接觸面間存在彈力。設(shè)問：除了這兩個條件，還有其他條件嗎？學(xué)生討論，請一個同學(xué)發(fā)言，并做一個小實驗，驗證同學(xué)的結(jié)論。［實驗4］讓兩個學(xué)生同時用光滑的塑料筷子和竹筷子夾取砝碼，光滑的塑料筷子夾取多次不能夾起，粗糙的竹筷子可一次夾取鉤碼。［板書］③接觸面粗糙。教師歸納：要產(chǎn)生靜摩擦力，必須同時具備這三個條件，缺一不可。進一步觀察實驗2：設(shè)問，在測力計的拉力作用下木塊“想”往哪兒滑動？運動趨勢向哪兒？靜摩擦力什么方向？［板書］(2)靜摩擦力的大小和方向［板書］①靜摩擦力的方向沿接觸面與相對運動趨勢方向相反。教師：趨勢是一種想要動而沒有動起來的狀態(tài)，通俗地說就是表面上相對靜止，心里卻有想法。之所以想動是因為有外力的驅(qū)使；之所以沒動是因為有靜摩擦力的制約，為了準(zhǔn)確地判斷相對運動趨勢的方向，我們通常假定接觸面光滑，沒有摩擦力，構(gòu)想相對運動方向，從而斷定不光滑時的相對運動趨勢方向。如靜止在斜面上的物塊；靠在墻上的梯子；拔河比賽中腳與地面的作用等。圖5再觀察實驗2。教師：木塊受到靜摩擦力大小等于多少？學(xué)生：由二力平衡可知，靜摩擦力大小等于測力計的拉力。［實驗5］繼續(xù)搖動絞車手柄，在拉力逐漸增大過程中木塊保持靜止，這個現(xiàn)象說明什么？學(xué)生：靜摩擦力的大小是變化的，它總是和外拉力相平衡。教師：那么，靜摩擦力不斷地與外力處于相平衡的狀態(tài)能不能無限地維持下去呢？［實驗6］持續(xù)搖動絞車，拉力增大到某一值時，木塊開始滑動，平衡被打破。這又說明了什么？學(xué)生：靜摩擦力不能無限制地增大。教師：靜摩擦力有一個最大值，當(dāng)外拉力大于此值時，物體將開始滑動，這個最大值叫做最大靜摩擦力。［板書］②靜摩擦力的大小隨使物體產(chǎn)生相對運動趨勢的外力增大而增大，但有限小結(jié)：這樣，我們對靜摩擦力就有了一個初步的認(rèn)識，靜摩擦力存在于兩個接觸面不光滑且有彈力和相對運動趨勢的物體之間，它大小是變化的——但有范圍；它的方向也是可變的——總是與運動趨勢相反。它表面上悄無聲息，暗地里卻變化多端，抓住相對運動趨勢方向是關(guān)鍵，那么，當(dāng)物體間發(fā)生相對滑動時，又是一番怎樣的景象呢？這就是我們要討論的第二個話題。［板書］滑動摩擦力［實驗7］搖動絞車，使木塊開始滑動，注意觀察測力計，發(fā)現(xiàn)仍有讀數(shù)。教師：這就說明，木塊在木板上相對滑動時，要受到木板阻礙其相對滑動的力，這種力叫滑動摩擄力（滑動摩擦力也不難感受到，如擦黑板時，黑板對黑板擦的阻力；緊急剎車后，車很快就能停下來等）。教師：關(guān)于滑動摩擦力我們在初中已作過一些初步的探討，下面請一個同學(xué)就滑動摩擦力的產(chǎn)生條件、方向特點等方面作一簡單的概述。［板書］(1)滑動摩擦力產(chǎn)生的條件①兩物體間發(fā)生相對運動。②兩接觸面間存在彈力。③接觸面粗糙。［板書］(2)滑動摩擦力的方向與相對運動方向相反。［板書］(3)滑動摩擦力的大小教師：關(guān)于滑動摩擦力的大小在初中我們也有個定性的結(jié)論：與垂直表面的壓力和接觸面的粗糙程度有關(guān)。那么，它們到底有著什么樣的定量關(guān)系？另外，滑動摩擦力的大小與接觸面積的大小、與相對運動速度的大小有關(guān)嗎？等等。這是我們在高中物理學(xué)習(xí)中要解決的問題。［實驗8］學(xué)生探究活動。(1)教師介紹微型電機傳送帶的基本構(gòu)成和測量方法（傳送帶被微型直流電動機驅(qū)動，與小木塊相連的彈簧測力計的刻度被放大，說明測力計測得的是小木塊的滑動摩擦力）。(2)學(xué)生給出探究方案：保持接觸面積、相對速度不變，僅改變垂直壓力，測得相應(yīng)摩擦力。(3)由三個學(xué)生上臺操作：①改變垂直壓力測定滑動摩擦力，由學(xué)生將測得的數(shù)據(jù)輸入電子表格求得摩擦力與正壓力之比，得到有關(guān)結(jié)論。②僅改變接觸面積：調(diào)換木塊與傳送帶的接觸面，觀察摩擦力的變化。③僅改變相對運動速度：調(diào)節(jié)直流電動機的輸入電壓，觀察摩擦力的變化。表1滑動摩擦力數(shù)據(jù)采集與分析教師：更精確的實驗表明，滑動摩擦力大小與物體表面的垂直壓力成正比，與接觸面積和相對速度均無關(guān)。比例常數(shù)μ叫動摩擦因數(shù)，與接觸物體材料有關(guān)，還跟接觸面情況（如粗糙程度）有關(guān)。教師：可見，在確定的接觸面和壓力下，滑動摩擦力是個定值，這與靜摩擦力大小隨著外推力的變化而變化有著明顯的區(qū)別。設(shè)問：在相同的條件下，最大靜摩擦力與滑動摩擦力誰大？學(xué)生：憑感覺，好像最大靜摩擦力要大一些。［實驗9］教師用彈簧測力演示靜摩擦力與滑動摩擦力的大小關(guān)系：緩緩搖動手柄，將木塊由靜止拉至勻速運動，提醒學(xué)生注意觀察木塊勻速運動后測力計指針的位置與卡片位置關(guān)系，再用力的傳感器演示靜摩擦力與滑動摩擦力的動態(tài)曲線。得出結(jié)論：滑動摩擦力比最大靜摩擦力稍小。［例］馬拉雪橇在水平冰道上運送木料，鋼制雪橇與木料總重量為，(1)馬拉力多大時，才能使雪橇勻速前進；(2)當(dāng)馬用600N拉力拉雪橇?xí)r，雪橇受地面的摩擦力多大？討論1：“摩擦力與我們的世界”：我們的日常生活中有許多關(guān)于靜摩擦力和滑動摩擦力的事例，你能說出一些來嗎？如果這個世界沒有了摩擦力，將是一番怎樣的景象？討論2：分析百米運動員起跑后的加速階段的后蹬腳和汽車啟動過程中的驅(qū)動輪所受摩擦力的情況（圖6）。圖6四、小結(jié)這節(jié)課我們討論了兩種摩擦力的產(chǎn)生條件和變化規(guī)律，靜摩擦力和滑動摩擦力客觀地存在于我們的周圍，直接或間接地影響著我們的生活