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挑战高中物理教材上摩擦力一节的编排及传统思想
作者:顾爱芬          编辑日期:2014-11-07                   点击数:832

为进一步课堂教学效率,培养创新型人才,我校进行了主体互动式策略研究的课题研究,在教学过程中觉得教材的编排中存在一些让觉得容易犯错之处:作为教材的文本表述,要求做到“概念的表述应该力求精准而深刻,逻辑的线索应该力求清晰而严密;”而作为“生活中物体的道理”的物理这门学科来说,我们一方面要学习前人总结出的规律、知识,培养学生严密的逻辑思维和分析问题、解决问题的能力;另一方面更要让学生掌握前人科学的思想方法,引领学生敢于向传统的理论和观念提出挑战,勇于提出自己的想法。在人教版普通高中课程标准实验教科书《物理必修1》一书摩擦力一节中,有二处笔者觉得值得探讨,一是概念中的压力的表述和分析,觉得不够精准,而为了配合该概念的应用而举的例题中力的示意图更是让学生混乱;二是动摩擦因数表格中的摩擦因数,表述不够严密;而对于摩擦力的大小与接触面光滑程度有关提出第三种看法:是因为有大气压力。分析如下:

一、关于滑动摩擦力大小的计算

书上定义:滑动摩擦力的大小跟压力成正比;

例题:在我国东北寒冷的季节,雪撬是常见的运输工具。一个有钢制滑板的雪撬,连同车上材料的总重量为4.9×104N。在水平冰道上,马要在水平方向用多大的力,才能够拉着雪撬匀速前进?

 

 

F1

F2

FN

图1

分析   从图1中可以看到与这个问题相关的几个力。马对雪撬的拉力可以近似为沿着水平方向,因此雪撬在水平方向受到两个力的作用:马的拉力F1、冰道对雪撬的滑动摩擦力F2。在这两个力的作用下,雪橇匀速前进。

 

由于二力平衡,匀速前进时马在水平方向的拉力F1与摩擦阻力F2大小相等,即F1=F2。滑动摩擦力F2的大小可以由F=μFN求出,其中FN是雪橇对地面的压力,它的大小等于雪橇的总重量G。钢与冰之间的动摩擦因数μ可以在表中查出。重量G是已知的,由此可以求出F2,进而求出马在水平方向的拉力F

    G=4.9×104N,μ=0.02.雪橇匀速运动,拉力与阻力大小相等,所以F1=F2。F2=μFN;而FN=G,所以F1=μG,代入数据得F=0.02×4.9×104=980N,马要在水平方向用980N的力,才能够拉着雪橇匀速前进。

(一)这样处理有三点不足   

1、造成学生研究对象不明确:书上为了与前面滑动摩擦力的定义统一,对这例题进行受力分析时就把物体对桌面的压力分析了,一会是对雪橇受力分析,一会又是对地面受力分析,研究对象不明确,这既是学生很容易忽视的一个问题,甚至也是有的老师都没有去重视的问题,事实上不管是用牛顿第二定律还是用动能定理解决问题,明确研究对象都是至关重要的,到后面用牛顿第二定律处理连接体问题时,许多学生由于研究对象不明确,在应用时都不知道该是某个物理质量还是几个物体的总质量;同样在运用动能定理解决问题时由于研究对象不明确,应用时不明确是某个物体的动能还是整个系统的总动能,归根到底都是一个研究对象不明确,而作为教科书在这儿这样处理,对于初学者来说第一印象更为深刻,更容易让学生造成研究对象的不明确。

2、造成学生受力分析的混乱:受力分析是高中物理基础中的基础,贯穿于物理学的始终,却又是学生掌握时的重点、难点,如果受力分析对了,题目基本上也就成功一半了,特别是对于初学者来说受力分析更是难点中的难点,其中最容易犯的错误之一就是会把物体施给另一个物体的力分析进去,而此例题就有这样的误导作用,分析了雪橇对地面的压力,造成学生受力分析的混乱。

3、造成学生概念不清,相信只要是在一线的老师,都知道学生对滑动摩擦力的计算还经常犯的一个错误就是不管什么时候接触面上的弹力总等于物体的重力,即F1=μG,而不去分析哪个面上受到的摩擦力就应该与该接触面上的弹力成正比;而在此也有这样的误导,没有突出和强调应该与接触面的弹力成正比,而弹力并不是一定等于重力,这儿只是因为所学知识的局限,只会计算平衡力,因此这儿物体所受弹力正好等于物体所受重力。

(二)二点建议

 

 

F1

F2

FN

G

图2

1、针对教材中滑动摩擦力定义及例题有上述不足,笔者在此提出一些改进建议,以对物理教材的进一步完善提供参考。把定义表述为:滑动摩擦力的大小与该接触面上的弹力成正比。说明:也就是说该物体在哪个接触面上受的滑动摩擦力就应该与该物体在该接触面上受的弹力成正比。这样说有三层意思:一是让学生要明确研究对象,是哪个物体受到的摩擦力,二是让学生明确哪个面上物体受到的摩擦力,三是让学生明确是哪个面上的弹力。笔者认为从这里开始应该慢慢地引导学生进行受力分析,首先明确研究对象,其次从重力、弹力、摩擦力逐个分析。

 

例题处理:明确研究对象:雪橇,然后从重力、弹力、摩擦力逐个分析,即以雪橇为研究对象进行受力分析,受到四个力的作用,如图所示:即雪橇所受的重力G,马对雪橇的拉力F1,地面对雪橇的支持力FN,地面对雪橇的摩擦力F2,根据初中所学知识知道,马对雪橇的拉力和地面对雪橇的摩擦力是一对平衡力,所以F1=F2,重力和地面的支持力是一对平衡力,所以FN=G,所以F1=μG,代入数据得F=0.02×4.9×104=980N,马要在水平方向用980N的力,才能够拉着雪橇匀速前进。

 

 

图3

2、F2=μFN中的FN,哪个接触面上的摩擦力就应该是哪个接触面上的弹力成一正比,而这个弹力并不一定等于重力。这一点是我们学生经常容易犯的错误之一,因为第一印象深刻,所以导致后面的学习中通常不去考虑面上弹力多大,总认为等于重力,因此在这儿先说明一下:并不是任何时候接触面上弹力都等于重力,只是现在所学知识的局限,只会计算平衡力,根据平衡力算出这个面上的弹力刚好等于重力。因此建议在书上可以出个思考题:如图3所示,物体所受斜面的支持力还等于重力吗?进一步让学生理解什么是接触面上的弹力,也为以后的接触面上动摩擦的计算作个铺垫。

 

二、关于几种材料间的动摩擦因数:

在书上表格中只说明了不同材料间的动摩擦因数,如图所示

 

 

图4

 

 

虽然书中表述时说明了动摩擦因数除了与材料有关,还与接触面的粗糙程度有关,但在表中却没能体现,而且在例题中动摩擦因数也是由表中读出冰与钢间的动摩擦因数0.02,容易让学生造成误解,觉得动摩擦因数只与材料有关,材料定了动摩擦因数也就定了;所以笔者认为应该是一个范围,比如说木——木之间动摩擦因数为0.3,很粗糙时可达0.6,或者要说明表中所给数据是通常情况下的平均值;当然在具体应用时一般会给出动摩擦因数,并不要从表格中读出。

三、是动摩擦因数大于1还是因为要考虑大气压力?

1、一直以来困扰着我的生活中的一些现象:在生活中我们经常看到这样的事实:两块玻璃板间如果有一点水,那么要想把它们错开很难;笔者还做了两个实验:一个是我们常用的软面笔记本,偶然一次在作笔记时把水洒了点上面,结果在玻璃桌面或木质桌面上移动时感觉摩擦力特别大,因此就用弹簧秤测了一下,笔记本重2.1N,而在移动过程中的摩擦力却达到4.6N,如果改变接触面更加湿一些,则可达5.6N;而且这个实验中摩擦力的大小还与接触面的大小有关系,接触面大时摩擦力也大;按我们所学的知识可以知道:接触面上的弹力应该等于重力,因此可以得出摩擦因数为2.67;第二个实验是在家里吃饭时在饭锅上蒸的菜,是用铝制品的盆子,放在玻璃桌面上移动时也感觉比较困难,往上端的时候感觉开始时比重力要大,当然离开桌面后又变小了,而这个实验接触面其实比较小,因为只有盆底一圈和桌面接触,中间是向上凹的;这些生活中常见的现象让我很困惑,到底是什么原因造成的呢?

2、对上面现象的分析:我首先是看书,在教参上看到摩擦力大致有两种观点:凹凸说和电磁说。比较早时认为是凹凸说,而随着不断的研究现在基本上都认为是电磁作用力,很复杂,目前还没完全搞清楚,因此我想我们是不是可以继续不断地去完善呢?也许不一定会一下子搞清摩擦力的本质,至少我们可以对生活中的一些摩擦力作一些完善,因此我想提出一些我个人的想法:上面的这些现象都和水有关系,是不是因为水的粘滞力呢?可能这个接触面上的不是摩擦力,而是水的粘滞力,但事实上它也满足滑动摩擦力的条件,两个接触面相对滑动,只是因为接触面是湿的而已,也应该属于摩擦力的范畴;而且“雨天路滑,小心驾驶”,这是众所周知的,而且根据实践也确实是如此,也就是说接触面间有了水,摩擦因数会变小,书上也介绍了冰壶运动,为了改变冰壶的运动状态,运动员努力地擦冰,书上解释:是因为擦冰使其熔化为水,减小了冰壶的摩擦力,从而使其能到达预期的位置,当然这种解释是否正确我觉得有待验证,但显然它不是因为水的粘滞力,否则下雨天摩擦力会更大,因此我想更有可能是因为有大气压力从而加大了接触面间的弹力,从而导致摩擦力变大。玻璃板不管是竖直放置还是水平放置,因为之间有了水,把它们之间的空气挤出去了,那么它们间的空气变得少了,因此使两块玻璃板间由于大气压力作用而产生了弹力,而且这个力比玻璃板的重力大得多,且和接触面的大小有关;同样对于后面两个现象也很好解释,虽然教参上说即使看起来很光滑的表面实际上也存在不平整,但我想正是因为有了水填满了不平整的地方,因此使得接触面很紧密,从而挤出了空气,使得摩擦力变大,而对于接触面不平整的,即使之间有了水,也填不平整,接触面间仍然有间隙,有空气,两个表面形不成大气压力差;可能有人会认为很光滑时接触面间距离很小,因而已经是电磁作用力,我觉得这个理由也不大可能,因为电磁力与距离有关而与接触面间有无水没有关系,而事实上如果只是两块很光滑的玻璃板压在一起时它们间的摩擦力仍很小,但只要之间有一点水,则摩擦力立刻变得大得多,因此我认为是大气压力作用的结果,如果有可能在真空中做这个实验看看;因此我觉得是不是可以提出这样的观点:对于接触面很光滑的物体间,有了水会使摩擦力变大,而且大很多;对于接触面不是很光滑的时候,有了水会使得摩擦力变小。

3、对书上冰壶运动的解释的一点疑问:

对摩擦力的认识我们是不是也犯了亚里士多德同样的错误,凭经验和直觉,认为湿的摩擦力一定比干的要小?事实上在生活中湿的摩擦比干的摩擦大的现象很常见,如前面所举的现象;对于冰壶运动如果有条件接触到冰壶运动的,笔者建议是不是可以测试一下,擦冰后摩擦力到底是大了还是小了;而且这个大小是否与擦冰后产生的水的多少有关系?按照上述我的观点:冰熔得多了挤出的空气也就多了,使得摩擦力也就变大了。如果真是这样,是不是可以让冰壶先比较快地运动,在快到达预期位置前的地方全力擦冰使其熔得多,那么经过时该位置时摩擦力迅速变大,从而使速度迅速减小,当然这还得看当时的环境温度,是不是刚熔化的冰立刻就又结成冰了,若是立刻又结成冰了,当然摩擦力会变小,希望有条件接触到冰壶运动的人能够去实践一下,物理本就应该是在事实的基础上建立理论,然后再由实验来检验。

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