曾純貞

(福建省平潭第一中學(xué),福建 福州 350400)

摩擦力問題是初中物理課程中的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn),也是中考的常見考點(diǎn).在《科學(xué)探究:摩擦力》中展開了對(duì)力學(xué)等有關(guān)科普知識(shí)的進(jìn)一步探究.在該課程的教學(xué)過程中,教師希望通過分類處理法使學(xué)生更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)摩擦力.對(duì)此,教師要梳理出學(xué)生解題過程中容易出現(xiàn)的常見錯(cuò)誤,了解學(xué)生的思維方式,針對(duì)這些錯(cuò)誤和不正確的思維方式來開展教學(xué)設(shè)計(jì),進(jìn)行實(shí)例分類和說明,幫助學(xué)生建構(gòu)出全面完善的摩擦力知識(shí)體系.

1 初中物理摩擦力教學(xué)的難點(diǎn)分析

摩擦力在日常生活中的應(yīng)用范圍很廣,生活中有很多摩擦力應(yīng)用的實(shí)例,學(xué)生解題時(shí)存在的各種問題如下:一是不能正確判斷是否有摩擦力;二是誤認(rèn)為摩擦力的方向與物理運(yùn)動(dòng)方向相反;三是將滑動(dòng)摩擦力與靜摩擦力的計(jì)算方法混淆,不會(huì)計(jì)算摩擦力的大小.

導(dǎo)致學(xué)生存在上述疑問的根源,主要是因?yàn)檎n程內(nèi)容中并未清晰地把滑動(dòng)摩擦能力與靜態(tài)摩擦力區(qū)分開來進(jìn)行介紹,而只是用摩擦力進(jìn)行闡述概念,老師在講解過程中,也沒有細(xì)分處理,因此學(xué)生在面臨不同情境下的摩擦力時(shí),無法正確處理問題.所以教師需要使用分類處理的方法來掌握并理解摩擦力.

2 摩擦力的產(chǎn)生條件

產(chǎn)生的共同條件是:

A.物體彼此相互接觸,而且因相互擠壓產(chǎn)生了彈性形變

B.兩物體的相互接觸面粗糙

C.兩物體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)或者發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)

其中,C條件很容易讓學(xué)生將滑動(dòng)摩擦與靜摩擦混淆在一起.解決策略主要有兩種:

策略1假設(shè)法

首先選取兩個(gè)接觸的物體,假設(shè)表面非常光滑,判斷物體有沒有出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,如果沒有,說明原來就沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),如果存在,則反之[1].

例1一根質(zhì)量分布均勻的細(xì)棒斜著靠墻而立,細(xì)棒保持靜止,豎直墻壁十分光滑,水平地面凹凸不平,請(qǐng)問細(xì)棒受到了哪些力的作用?

圖1 例1題圖

解析先從豎直方向上分析,細(xì)棒受到的作用力分別是重力G和地面的支撐力N1;從水平方向分析,豎直墻壁對(duì)細(xì)棒施加了向右的支持力N2,豎直墻面光滑,表明墻面跟細(xì)棒的接觸點(diǎn)并無摩擦力;假如水平地面光滑,那么就沒有力和豎直墻壁對(duì)細(xì)棒施加的支持力N1保持平衡,細(xì)棒必然會(huì)向右滑行,但細(xì)棒保持靜止?fàn)顟B(tài),只有此時(shí)細(xì)棒下端要受一水平且向左的靜摩擦力f作用,才處于靜止?fàn)顟B(tài).所以細(xì)棒一共受了四個(gè)力的作用.如圖1所示.

策略2類比法

在處理同方向運(yùn)動(dòng)、相對(duì)靜止且接觸的兩物體之間有沒有摩擦力時(shí),經(jīng)常使用類比法來進(jìn)行分析.眾所周知,在同一輛正常行駛的公共汽車內(nèi),站立的旅客因?yàn)榘踩蛩赝仨氂檬肿プ≤噹敳康臋M桿形扶手.這可能有以下三個(gè)體驗(yàn):

在汽車起動(dòng)或加速時(shí),因?yàn)閼T性,乘員身子要向后傾(注意車運(yùn)動(dòng)與乘客傾斜方向相反),而此時(shí)手將會(huì)沿著橫桿產(chǎn)生明顯的向后滑行的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),因此抓住橫桿的手指會(huì)對(duì)車施加一個(gè)向后的拉力來“平衡”因?yàn)槿伺c車出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)而產(chǎn)生的靜摩擦力,此時(shí)人對(duì)橫桿的靜摩擦力向后,橫桿對(duì)人的靜摩擦力向前.

同理,在汽車前進(jìn)中制動(dòng)或降速時(shí),因?yàn)閼T性,乘客身子要往前傾(注意車運(yùn)動(dòng)與乘客傾斜方向一致),此時(shí)手將會(huì)沿著橫桿產(chǎn)生明顯的向前滑行的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),因此抓住橫桿的手指也會(huì)對(duì)車施加一個(gè)向前的推力來“平衡”因?yàn)槿伺c車出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)而產(chǎn)生的靜摩擦力,此時(shí)人對(duì)橫桿的靜摩擦力向前,橫桿對(duì)人的靜摩擦力向后.

在汽車勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)此時(shí)抓住橫桿的手指并沒有沿橫桿產(chǎn)生向前或向后滑的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),也就是說,此時(shí)手指與橫桿之間并沒有靜摩擦力[2].

對(duì)比上面三種情況,將物體A、B疊放在水平面上且保持A與B整體處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),A與B整體因?yàn)槭艿綘恳的作用勻速向右運(yùn)動(dòng).此時(shí)可以將B物體視作公交車,B物體上面的A視作乘客,當(dāng)物體A和B向右加速運(yùn)動(dòng)時(shí),因?yàn)閼T性,物體A將出現(xiàn)沿物體B向左滑行的趨勢(shì)(根據(jù)類比此時(shí)方向相反),所以物體A和物體B之間會(huì)產(chǎn)生靜摩擦力,且B對(duì)A的靜摩擦力方向向右.物體B和地面之間則會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力,地面對(duì)B的滑動(dòng)摩擦力方向向左;反之,如果A與B向右做減速運(yùn)動(dòng),因?yàn)閼T性,物體A將出現(xiàn)沿物體B向右滑行的趨勢(shì)(根據(jù)類比此時(shí)方向一致),所以物體A和物體B之間會(huì)產(chǎn)生靜摩擦力,且B對(duì)A的靜摩擦力方向向左.物體B和地面之間依舊存在地面對(duì)B向左的滑動(dòng)摩擦力;當(dāng)A和B保持勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),A和B之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),兩者之間不會(huì)產(chǎn)生靜摩擦力,但地面對(duì)B有向左的滑動(dòng)摩擦力.

例2水平傳輸帶上的物體隨著傳輸帶一起向右移動(dòng),物體速度逐漸慢慢變大,可以分析物體所受到的力有( ).

A.重力、傳輸帶給的支持力

B.重力、對(duì)傳輸帶的壓力

C.重力、傳輸帶給的支持力、向右的摩擦力

D.重力、傳輸帶給的支持力、對(duì)傳輸帶的壓強(qiáng)

解析因?yàn)樗絺鬟f帶上的物體不斷向右移動(dòng)且速度逐步變大,利用類比方法表明,物體有向左相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),故水平傳輸帶對(duì)物體有向右靜摩擦力;物體在豎直方向上的重力大小跟傳輸帶提供的支持力大小相等,方向相反.故C正確.

3 關(guān)于摩擦力方向的判斷

對(duì)于滑動(dòng)摩擦力來說,因?yàn)轭}目中的研究對(duì)象通常都是相對(duì)地面或是相對(duì)于地面上靜止的物體運(yùn)動(dòng),所以研究的相對(duì)運(yùn)動(dòng),如果物體運(yùn)動(dòng)方向可以斷定,物體所受的滑動(dòng)摩擦力方向就和物體的運(yùn)動(dòng)方向相反.

對(duì)靜摩擦力來說,因?yàn)樵陬}目的敘述中人們所認(rèn)識(shí)到的物體(即研究對(duì)象)移動(dòng)方向,通常是從研究對(duì)象周圍的相對(duì)于地面或相對(duì)于地面上靜止的其它物體來說的,而在研究對(duì)象和與它有直接聯(lián)系且產(chǎn)生靜摩擦力的物體之間并不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)移動(dòng),而處于相對(duì)靜止.由于研究對(duì)象相對(duì)于接觸對(duì)象的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的走向與人們所認(rèn)識(shí)的運(yùn)動(dòng)方向不同,使得靜摩擦力方向可能跟物體運(yùn)動(dòng)方向相反,也可能跟物體運(yùn)動(dòng)的方向相同[3].

例3人往東邊走時(shí),受到的摩擦力方向____.

解析人們所認(rèn)識(shí)到的運(yùn)動(dòng)方向都是人開始相對(duì)于地面向東前行.人是依靠靜摩擦力來前進(jìn)的,走路時(shí)腳底跟地面有向后運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),此時(shí)腳底跟地面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)朝西,所以靜摩擦力朝東.

例4在雜技選手勻速向上攀爬竹竿和順著竹竿勻速下降的二個(gè)動(dòng)作中,對(duì)于運(yùn)動(dòng)員所受摩擦力的方向,以下說法相對(duì)的是( ).

A.都向上

B.都向下

C.爬竿時(shí)向下,下滑時(shí)向上

D.爬竿時(shí)向上,下滑時(shí)向下

解析當(dāng)雜技選手勻速向上攀登竹竿時(shí),不難看到運(yùn)動(dòng)員人體在上升,主要依靠的就是手指與竹竿之間的摩擦力,而此時(shí)由于手指緊密地握在竹竿上,雖不會(huì)相對(duì)于竹竿運(yùn)動(dòng),但手指卻有著沿竹竿下降的趨向,所以在向上攀登竹竿時(shí),每次握緊竹竿手指所得到的都只是靜摩擦力,靜摩擦力的方向和沿竹竿下滑趨勢(shì)方向相反,所以方向向上;當(dāng)沿竹竿勻速滑動(dòng)時(shí),由于手指相對(duì)竹竿下滑,手指和竹竿間會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力,滑動(dòng)摩擦力與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向相反,所以答案選A.

4 關(guān)于摩擦力大小的求解

4.1 二力平衡法

假如物體在水平表面保持勻速直線運(yùn)動(dòng),滑動(dòng)摩擦力f的大小和物體受到的水平拉力F或推力F的大小是相等的,計(jì)算出F就等于計(jì)算出f,滑動(dòng)摩擦力的大小也得以確定.

4.2 決定因素法

假如物體在運(yùn)動(dòng)過程中擠壓地面的壓力始終不變,接觸面的粗糙程度始終不變,那么物體和地面之間產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力也是固定不變的.此時(shí)物體不管是勻速運(yùn)動(dòng),還是變速運(yùn)動(dòng)均不改變滑動(dòng)時(shí)摩擦力的大小.

例5放在水平地板上的物體,受方向固定的水平拉力F作用,可以根據(jù)圖2中圖像F-t和v-t得到,當(dāng)t=1 s時(shí),物體受到的摩擦力是____N,當(dāng)t=3 s時(shí),物體受到的摩擦力是____N.

分析物體在水平方面接受水平拉力F和摩擦力f兩種作用力的影響,而在各個(gè)的具體時(shí)間階段摩擦力的特性也有所不同.

圖2 例5題圖

解析由v-t圖像可知,在0～2 s內(nèi),由于物體保持靜止?fàn)顟B(tài),所以均受靜摩擦力作用;在2～6 s內(nèi),不論物體進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)還是保持勻速運(yùn)動(dòng),物體都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),其受到的摩擦力都是滑動(dòng)摩擦力.又由F-t圖像可知,在0～2 s內(nèi),物體受3 N水平拉力而保持靜止,根據(jù)二力平衡法來求解,在0～2 s內(nèi),靜摩擦力大小等于水平拉力F,為3 N;在4～6 s內(nèi),物體保持勻速直線運(yùn)動(dòng),物體受到的滑動(dòng)摩擦力也等于水平拉力F,大小為5 N;最后分析在2～4 s內(nèi),物體獲得了7 N的牽引力但做的是加速運(yùn)動(dòng),根據(jù)“決定因素法”可知,物體對(duì)地面施加的壓力沒變,地面的粗糙程度沒變,所以滑動(dòng)摩擦力依舊為5 N.所以,答案依次為3 N和5 N.

綜上可知,初中物理教材對(duì)摩擦力的分析介紹較為簡略,教師要圍繞該內(nèi)容來進(jìn)行補(bǔ)充完善,對(duì)摩擦力問題進(jìn)行拓展延伸,全面深入地引導(dǎo)學(xué)生去分析摩擦力的分類、方向及大小計(jì)算等問題,如此才能幫助學(xué)生建構(gòu)出完善的摩擦力知識(shí)結(jié)構(gòu)體系.