“摩擦力”探究教学的实验设计
浙江师范大学05级教育硕士 浙江省普陀中学 316100
摘要：科学探究是一种学习方式，是学习目标，也是学习内容；教学中对学生探究行为的设计是提高探究能力的关键，如要提高制定计划和设计实验的能力，就要让学生去优选实验方法、去选择实验器材、去分析和控制变量、去评价现有的方案；科学探究的行为应渗透在整个物理教学中；学生的自主探究和教师的合理指导要相结合。“实验探究法”是在教师指导下，以实验为基础，以探究为主线，包含提出问题、猜想与假设、制定计划、收集证据、分析与论证、评估、交流与合作等探究的七个环节，通过学生自主地实验操作、观察来认识物理现象、认知物理过程，探究物理规律，获得知识，形成技能的一种教学方法。而摩擦力的教学包含了丰富的探究内容，本文通过“实验探究法”对“摩擦力”的进行教学设计。
关键词：摩擦力 实验探究 教学设计
摩擦力分为静摩擦力、滑动摩擦力和滚动摩擦力三种。中学主要学习静摩擦力和滑动摩擦力。摩擦力的教学包含了丰富的探究内容，如，（1）静摩擦力的大小是一个恒定的力吗？（2）静摩擦力的取值范围是由什么来决定的？（3）怎样来求解静摩擦力的大小？（4）静摩擦力的方向如何确定？（5）滑动摩擦力的大小与什么因素有关？（6）滑动摩擦力的大小与哪些因素有什么样的关系？（7）滑动摩擦力的计算公式是怎样的？（8）滑动摩擦力的计算中心公式f=μFN，式是FN的大小就是物体所受到的重力大小吗？等等这些都可以设计成探究教学。学生在初中学习了这部分内容，所以对摩擦力有一定的知识基础，设计探究时可以与学生的原有知识发生作用，这样更可以激发学生的学习兴趣、调动学生的学习热情，使探究更加顺利地进行。下面我们通过“实验探究法”分四个层次对摩擦力进行探究。
一、探究静摩擦力
1.提出问题 静摩擦力的大小是一个恒定的力吗？静摩擦力的取值范围是由什么来决定的？怎样来求解静摩擦力的大小？静摩擦力的方向如何确定？
2．实验验证 如图一，在水平桌面上放上一物块，通过定滑轮在两边各挂上三个相同的钩码。（1）将右边的一个钩码拿去，猜猜看，物块向哪个方向移动？让几个学生亲手做一下。若将右边的钩码拿去两个、三个，情况又如何？（在这时引入静摩擦力的概念）。（2）将右边拿走的钩码一个一个地挂在左边，又将观察到什么现象？（3）用什么方法来求解静摩擦力？静摩擦力是一个恒定的力吗？
这个情境创设得有新意，能激发学生兴趣，引起学生思考。 图一
在这个探究中，运用了学生了解的二力平衡知识来讲述什么是静摩擦力以及静摩擦力的大小和方向。让学生从实验中认识到静摩擦力随拉力增大而增大，并有一个最大值，静摩擦力取值于零和一个最大值之间，具体多大要由物体受的其他力的情况来决定。
二、探究摩擦力与什么因素有关
1．猜想与假设 与材料、压力、受力面积、接触面的粗糙程度、与速度的大小。。。。。。有关
情景创设：如果学校即将举行拔河比赛，请设计一下，如何增加赢的几率？学生会说：
（1）让个子高大的同学参加比赛，力气大，容易赢
（2）让个子高大的同学参加比赛体重大，不易被拉动，容易赢
（3）让参加比赛的人都穿上钉鞋，鞋子不易打滑，容易赢。
（4）拔河时身体向后仰，容易使上劲，容易赢。
（5）。。。。。。
2．实验验证 （1）从前排抽一位身材矮小的女同学和后排身材高大的一位男同学进行拔河比赛，女同学很轻松的被拉过了河。
（2）让男同学鞋底垫上表面比较光滑的油光纸，男同学被拉过了河。
两位同学的实验，说明拔河时，决定能否被拉过河的因素是什么？决定于人所受拉力及地面摩擦力的大小。说明摩擦力大小跟接触面之间的压力和接触面之间的粗糙程度有关。那么它们之间到底存在怎样的关系？
3．验证猜想 引导学生设计实验，进一步确定摩擦力与正压力、接触面性质之间的关系。如何测量摩擦力的大小？弹簧秤拉力何时等于摩擦力大小？如何改变接触面间压力？如何改变接触面性质？根据老师的提问和提示，换几个学生选择实验所需器材，确定实验设计方案。当我们研究的量可能跟多个变量有关时，需要采用控制变量法来实验，实验装置如图二：
图二
1.用天平称出木块质量M1，将木块放在木板一端，通过弹簧秤对其缓慢使力，开始木块随着弹簧秤拉力的增大并不滑动，直到增加到某一数值时FM1，突然开始滑动，让木块匀速滑动，弹簧秤读数保持某一数值F1
2．在木块上增加砝码，砝码和木块总质量M2，重复上述实验，得到Fm2和F2
3．继续增加砝码，得到M3，Fm3和F3
4．在木板上垫上毛巾，重复实验1，得到Fm4和 F4。
4．结果分析
结合实验提出静摩擦力，滑动摩擦力，最大静摩擦力概念。从实验引导学生进行实验数据分析，再换几个学生填下表
数据 1 2 3 4
重力G
压力FN
滑动摩擦力F
滑动摩擦力和最大静摩擦力大小比较
F／FN
提问：从上述数据可以说明什么问题？
得到结论：最大静摩擦力大于滑动摩擦力，当接触面一定时，滑动摩擦力跟正压力比值一定，该比值反映接触面的性质，称为动摩擦因素。滑动摩擦力大小跟正压力成正比，跟动摩擦因素成正比。
让学生参与，通过力传感器和数字化教学实验系统重复实验，可以很直观得到摩擦力随时间的变化图象。
图三
实验中发现弹簧秤读数不稳，如何改进？可以固定弹簧秤，缓慢移动木板进行实验。引出摩擦力方向与物体相对运动方向相反，强调“相对”。根据实验引导得出滑动摩擦力和静摩擦力方向.
通过以上实验，思考如何求解静摩擦力？如何计算滑动摩擦力？最大静摩擦力跟什么因素有关？摩擦力产生的条件？经过学生讨论，得出正确结论。根据实验研究所得进一步体会拔河比赛问题。
通过这两个实验探究可以得到 ，相互接触的两个物体的材料不同或接触面的粗糙程度不同，这个常数也不同。我们把这个常数叫做动摩擦因数，用 来表示，所以有 或 即：两个物体间的滑动摩擦力的大小跟这两个物体表面间的压力大小成正比。
三、进一步探究
1.提出问题 滑动摩擦力的计算公式f = μFN中FN的大小就是物体所受到的重力吗？
2．实验探究
上面的探究实验中，得到长方体木块与木板的动摩擦因数（设为μ1）。
再让别的学生进行探究，如图四，把长方体木块放在倾斜的木板上，反复调整倾斜角度θ角，使木块在轻轻推动后能沿斜面匀速下滑。此时沿斜面方向木块所受到的合外力为零，即重力沿斜面向下的分力与木块受到的摩擦力大小相等，也即：mgsinθ=μFN，如果FN =mg，则μ=sinθ，测出θ并算出sinθ的值，由于是既定的两个已知材料接触，应该有μ=sinθ=μ1，但实验测得：μ=sinθ≠μ1，所以FN≠mg。 图四
本探究的目的是要学生理解公式 中的FN是压力而不是重力。
四、联系实际“做一做”
活动一：如图五将两本书，一页一页交叉地叠在一起，然后用力向两边拉，比较薄的两本书与厚的两本书用力拉的情况，体会摩擦力的大小与什么有关。
图五
活动二：让几个学生走路，体会脚与地面相对运动趋势方向，体会前脚、后脚受到摩擦力的方向。
活动三：一个学生手握瓶子，另一个用力向下抽取瓶子，握紧后再抽，体会最大静摩擦力的变化，与什么因素有关。
活动四：观看录像片 减小摩擦的实例 磁悬浮列车减小摩擦的原理
教师总结，并布置课外小论文《假如生活中没有摩擦》
综上所述，“摩擦力”实验探究教学设计是一个由定性的了解到定量的计算、由简单的现象出发到本质认识的完整探究，整个探究由浅入深，一直保持学生的探究欲望。另外，本实验探究的器材简单、操作简便，问题情境的设置有创意，能激发学生兴趣、引起发学生思考；整个探究过程，学生自主动手实验、感悟的机会多，并且只要教师简单的引导，学生就可以完成整个探究活动，学生可以获得一定的成就感，这对学生以后对物理学科的学习兴趣、学习热情都将起到积极的作用。在探究滑动摩擦力大小与压力及材料有什么样的关系时，采用了物理学中常用的用比值法定义物理量的方法来进行，还有采用控制变量法来实验，这样处理既使问题的解决显得自然，又渗透了物理方法。
这一节实验探究课，安排了学生猜想、设计实验、实验探究、合作交流等教学过程，让学生经历探讨滑动摩擦力与压力、接触面粗糙程度有关的过程。让学生在体验知识的形成、发展过程中，主动获取知识，因此“实验探究法”克服了传统教学中教师讲的过多的弊病，变授为导，学生变被动接受为主动探究，同时融合着“知识与技能，过程与方法，情感态度、价值观”三维教学目标，体现了新课程“从生活中走向物理，从物理走向社会”的理念。
参考文献：
［1］廖伯琴主编．物理探究式教学设计与案例分析[M]．北京：高等教育出版社，2003
［2］物理课程标准研制组编写．普通高中物理课程标准（实验）解读[M]．湖北教育出版社，2004．4
