谈谈斜面上的“物理”

赵立彬��

摘要：在物理教学中，八年级物理下册已经将我们带入了斜面的情境，在这样的情境下，我们该如何思考问题呢？首先学生要搞清楚斜面与水平面之间的物理量变化情况，其次是弄清各物理之间的内在联系；换言之，就是让学生理解斜面情境下的“物”与“理”。本文探讨了与斜面有关的初中物理力学问题及其相关的物理规律。

关键词：物理教学；斜面；力学问题；物理规律

中图分类号：G633.7文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2017）13-017-1

一、斜面上物体的受力探究

教材在“活动84：判断重力的方向”告诉我们：物体重力的方向是竖直向下的，与斜面的倾斜角无关；而在“活动91：观察与作图”中告诉我们：压力垂直作用于帆布（相当与斜面）表面，其方向与斜面的倾斜角有关。所以，这两个力的方向是不同的。

什么原因呢？这两个力产生的原因是不同的。重力是由于物体受到地球的吸引而产生的，所以，重力的方向（重力只是万有引力的一个分力！）大致指向地心，即竖直向下，因此与斜面的倾斜程度无关；而压力是由于两个物体相互接触并挤压而产生的弹力，因此弹力的方向与接触面的方向有关。斜面上的物体由于受到重力作用，具有向下运动的趋势，而斜面阻碍了物体在竖直方向上下落，因此物体就会对斜面有弹力的作用，此力垂直作用于斜面向下，即物体对斜面的压力，所以，两个力方向不同；同时，两个力作用点和大小也不同，由两个力产生的原因可知：重力的作用点是在该物体的重心上，压力的作用点则是在斜面上；重力的大小与物体的质量成正比，而此时压力源于重力，它是重力在垂直作用在斜面方向上的一个分力的作用效果，压力的大小（F=mgcosθ）随斜面倾斜角的增大而减小，且压力小于重力，而只有在水平面上时，压力的大小才等于重力的大小。

静止在斜面上的物体还会受到斜面对物体的支持力，它与物体对斜面的压力是一对相互作用力，因此分别作用在斜面和物体上的这两个力的大小相等，方向相反，作用在同一条直线上；由于静止在斜面上的物体有向下滑动的趋势，且斜面并不光滑，物体还会受到斜面阻碍物体向下滑动的摩擦力（f=μmgcosθ），它的大小与物体的重力，斜面的倾斜角度和斜面的粗糙程度有关。物体受到的支持力与物体运动方向始终垂直，因此支持力不做功；而摩擦力与运动方向相同或相反，因此物体运动过程中会有机械能和内能的变化，这样就便于教材设置相关的物理情景实验。

二、斜面上物体的“力与运动”

教材在“活动105探究阻力对物体运动的影响”和“活动121探究动能大小与哪些因素有关”中都要求控制和改变小车进入水平面时的速度，那么斜面是如何能改变小车速度呢？

首先要知道静止在斜面上的小车为什么会下落，这是因为小车受到重力，支持力和摩擦力，由于这三个力并不平衡，即小车受到非平衡力的作用，运动状态将会改变。由于斜面阻碍了小车竖直下落，使得小车只能沿斜面下落。当斜面的倾斜角和小车相对于斜面的粗糙程度不变时，小车的加速度a=（gsinθ-μgcosθ）也随之确定不变，它与小车的质量无关。當小车从某一高度静止下落（初速度为0），由于小车的加速度不变，所以小车进入水平面时的速度v=2as（s为物体沿斜面下落的长度），可知，此时小车进入水平面时的速度就与物体沿斜面下落的长度和小车的加速度有关，与小车的质量无关。因此，我们让“质量不同的小车从同一斜面的同一高度静止释放”就很好的解决了“小车进入水平面时的速度相等”这个问题，如果想要改变进入水平面时的速度大小，那么我们只需要改变小车释放时的高度（或释放时小车沿斜面下落的长度）。

三、斜面上物体的能量转化

教材在“活动115探究斜面（如右图）”中得出结论：使用斜面不能省功，但可以省力。同时说明没有既省力又省距离的机械，这是为什么呢？现在我们从能量转化角度去分析。

将小车沿斜面拉上一定高度的过程中，小车受到四个力的作用，其中小车受到的支持力与小车运动的方向时刻垂直，所以小车受到的支持力并不做功。小车所受拉力做的功将外界能量转化为小车的机械能，同时小车在运动的过程中，受到摩擦力的作用，克服摩擦阻力做功，就有部分机械能转化为内能，由功能关系可知：FS=GH+fS，由此可得FS>GH，就是说使用斜面不能省功；如果不考虑小车受到的摩擦力的影响，则FS=GH，对于斜面而言，S>H即有F

教材在“活动122小明脚踩滑板从高处滑下”，其实就是在说明物体的重力做功时，物体的高度逐渐下降，物体的速度逐渐加快，与物体高度有关的能量（重力势能）减小，与物体运动有关的能量（动能）增大，即重力势能转化为动能。小明下降的高度越大，重力势能转化为动能也越大，小明到达斜坡低端时的速度就越大。相反，如果小明以一定的速度滑上斜坡时，他上升的高度与其速度有关，滑上斜坡前的速度越大，小明上升的高度也越大，这时动能转化为重力势能，能量被储存起来了。这就很好的解释了教材121的课后一道习题：上海明珠线车站的设计方案，与站台连接的轨道有一定坡度，请从节能的角度，分析这种设计的优点。

综上所述，物理知识来源于实践，特别是来源于观察和实验。因此要认真观察物理现象，分析物理现象产生的条件和原因。要认真做好学生物理实验，学会使用仪器和处理数据，了解用实验研究问题的基本方法。要通过观察和实验，有意识地提高自己的观察能力和实验能力，也就是说真正意义上弄清“物”与“理”，只有这样才能做好初高中物理的衔接和转变工作。希望本文能够为初高中衔接起到抛砖引玉的作用。