学科核心素养导向的“滑动摩擦力规律”教材处理

孙立婷 姜静

摘 要：探究滑动摩擦力规律Ff=μFN的过程对培养学生物理学科核心素养具有重要价值，设计了探究此规律的实验方案和教学思路，证明了动摩擦因数与接触面的粗糙程度以及材料都有关系.

关键词：滑动摩擦力;动摩擦因数;教材处理;物理学科核心素养

文章编号：1008-4134（2020）01-0047 中圖分类号：G633.7 文献标识码：B

作者简介：孙立婷（1996-），女，山东青岛人，硕士研究生，研究方向：物理学科教学;

姜静（1963-），女，山东济南人，本科，副教授，研究方向：物理教育、大学物理.

2019年秋季学期，与《普通高中物理课程标准（2017版）》（以下简称新课标）配套的“人教版普通高中物理教科书（2019版）”（以下简称新教材）正式启用了，在使用新教材进行教学设计的过程中，我们发现滑动摩擦力规律Ff=μFN的得出需要进行教材处理，遂对此问题进行了探索，提出了处理的方案.

1 滑动摩擦力规律Ff=μFN的教材分析

1.1 探究滑动摩擦力规律Ff=μFN的过程对发展学生物理学科核心素养的作用

从发展学生物理观念的角度来看，摩擦力是“运动与相互作用”观念中的重要概念，滑动摩擦力的规律又是摩擦力中的重要知识，也是后续学习中经常会用到的，因此应该将其作为本节教学的重点之一.根据物理教学论关于物理规律教学的一般过程和要求，滑动摩擦力的公式Ff=μFN是个物理规律，而物理规律是观察与实验、思维与想象相结合的产物，学生经历探究过程，有利于他们正确、深入地理解这一规律.根据学生认知规律，高一学生抽象思维能力还不完善，学习物理规律还需要一定的感性材料支撑，而实验探究可以为学生提供丰富而详实的感性材料.根据教学实践经验，滑动摩擦力的方向是教学的难点，通过实验探究，有助于学生突破这一难点.从发展学生科学思维的角度看，在探究滑动摩擦力规律的过程中，猜想与假设、设计实验方案、实验数据的处理、分析与论证等探究要素中蕴含着多种科学思维方法，有利于发展学生的科学思维能力.从科学探究的角度来看，滑动摩擦力规律的实验探究过程，能够培养学生科学探究的能力.从科学态度与责任的角度来看，滑动摩擦力规律的实验探究过程，能够培养学生实事求是的科学态度，并有利于激发他们的学习兴趣.综上，滑动摩擦力规律Ff=μFN的探究过程对发展学生的物理学科核心素养具有重要作用.

1.2 课程标准对“滑动摩擦力”的要求

对比分析高中物理新课标以及《义务教育物理课程标准（2011版）》对“摩擦力”的相关要求可知，“能用动摩擦因数计算滑动摩擦力的大小”[1]应该是高中物理 “摩擦力”一节的重点之一.通过探究过程发现滑动摩擦力的规律Ff=μFN有利于突出这一重点.研究滑动摩擦力规律Ff=μFN的实验虽然不是新课标要求的学生必作实验，但新课标在学生必做实验的开篇也指出：“学校应充分利用已有的实验器材，努力开发适合本校情况的实验课程资源，尽可能让学生自己动手多做实验，提升学生的物理学科核心素养”[1].

1.3 新教材中滑动摩擦力规律Ff=μFN的得出需要进行教材处理

新教材简略给出了一个证明滑动摩擦力与压力成正比的实验示意图（如图1所示），木块放在相对地面静止的木板上，匀速拉动木块勾连的弹簧测力计，观察弹簧测力计的示数.这种实验方案存在困难：很难做到匀速拉动;难以精确读取运动着的弹簧测力计的示数.而关于动摩擦因数与接触面粗糙程度及材料的关系，新教材则没有给出证明的方法.

综上所述，我们认为在教学设计中，应根据新课标的要求以及发展学生物理学科核心素养的要求，对滑动摩擦力规律Ff=μFN的得出进行教材处理.

2 培养学生物理学科核心素养的“滑动摩擦力规律”教材处理

为了更好地利用教材，发展学生的物理观念，培养学生科学思维和科学探究能力，促进学生养成实事求是的科学态度，突出重点和突破难点，结合新课标的要求，笔者设计了如下滑动摩擦力规律的探究方案.

2.1 提出问题

引导学生提出问题：在初中的学习中，我们已经知道，滑动摩擦力与压力有关，压力越大，滑动摩擦力越大.那么，滑动摩擦力与压力有什么定量关系？

2.2 猜想与假设

引导学生根据已有知识（压力越大，滑动摩擦力越大）作出猜想.如猜想：滑动摩擦力与压力成正比;与压力平方成正比;与压力三次方成正比……

2.3 设计实验

教学中先引导学生分析图1所示实验方案的困难：很难做到匀速拉动、难以精确读取运动着的弹簧测力计的示数，进而引导学生思考如何加以改进.

引导学生运用等效法设计出图2所示的优化实验装置.将弹簧测力计和滑轮固定在竖直放置的木板上.用一低速同步电机（型号为49TYJ，转速为5转/分）带动主动轮和从动轮转动，从而使滚轴带动传送带（橡胶材质）相对于地面运动， 标记物a固定在传送带的支架上，用来显示物块和地面保持相对静止.把质量为50g的物块（木块或铁块）放在橡胶带上，橡胶带与物块之间可以垫上不同材料、不同粗糙度的薄板以改变接触面的材料和粗糙度，标记物b固定在传送带上，用来显示传送带与物块的相对运动，物块的一端通过细绳和定滑轮与弹簧测力计相连.

带领学生明确实验原理：首先明确运动方向，传送带相对于地面向左运动，物块相对地面静止.其次，分析受力如图3所示，明确物块受到向左的滑动摩擦力Ff，物块静止所以物块所受滑动摩擦力Ff和绳子给物块的拉力F1二力平衡，即Ff=F1.由于绳的张力处处相等，F1与绳子给定滑轮的力F2相等，即F1=F2.定滑轮只改变力的方向不改变力的大小，F2与改变方向后的力F3相等，即F2=F3.弹簧测力计静止，因此绳子对弹簧测力计的拉力F4和弹簧测力计的弹力F弹二力平衡，即F4=F弹.由Ff=F1=F2=F3=F4=F弹，最终得出Ff=F弹，即弹簧测力计的示数就是滑动摩擦力的大小.

带领学生确定实验方法：为了使所得结论具有普遍适用性，改变两个物体之间接触面的材料和粗糙程度，多做几组实验.将同学们分为四个小组，四个组的实验中产生滑动摩擦力的两个物体分别是：接触面较为光滑的木块与橡胶传送带;接触面较为粗糙的木块与橡胶传送带;接触面较为光滑的铁块与橡胶传送带;接触面较为粗糙的铁块与橡胶传送带.

带领学生确定实验步骤：将木块或者铁块放在传送带上，等物块相对地面静止时，读出弹簧测力计示数.然后通过在物块上不断增加质量为50g的砝码的个数，从而不断改变压力大小，待物块与地面保持相对静止时读取数据.实验五次，记录滑动摩擦力的大小.

带领学生根据猜想设计记录数据的表格：以Ff表示滑动摩擦力、FN表示压力，设计记录数据的表格见表1.

带领学生设计处理数据的方法：（1）解析法（用公式处理数据），即计算Ff/FN，如果Ff/FN的比值为定值，则证明成正比的猜想成立，否则再计算Ff/FN2;（2）图像法：以FN为横坐标、Ff为纵坐标画图像，如果是直线，则证明成正比的猜想正确，否则以FN2为横坐标、Ff为纵坐标画图像;（3）比较法：将图像画在透明胶片上，并将胶片的坐标原点、横纵坐标重合，比较各组的图像.

2.4 進行实验、收集数据

为了充分发挥本实验探究的多方面作用，最好是准备多组实验器材，安排学生课内或课外分组实验，至少也应该课堂上让学生配合教师做演示实验.进行实验的过程中记录数据，表2、3、4、5列出了四个组所做实验的数据.

2.5 分析与论证

首先，带领学生运用解析法得到表2、3、4、5中的第四行数据，再利用图象法在透明胶片上做出Ff～FN图像，如图4、5、6、7所示.进而总结出无论何种材料及何种接触面粗糙程度，滑动摩擦力Ff与压力FN都成正比，于是引入动摩擦因数的概念，并将其记为μ;其次，引导学生比较各组得到的μ.将材料相同粗糙程度不同的两个组所得实验图像胶片叠合起来，使横、纵坐标轴及原点重合，可直观地通过斜率比较两组实验所得μ，发现μ和粗糙程度有关，粗糙程度越大，μ越大;比较接触面较为光滑而材料不同的两组实验所得μ，发现并不相同;比较接触面较为粗糙而材料不同的两组实验所得μ，发现也并不相同.于是引导学生猜想μ除了与接触面的粗糙程度有关之外，可能还和接触面的材料有关.

接着进一步带领学生设计实验.运用控制变量法，保持接触面粗糙程度不变，改变接触面的材料，每种材料的情况下改变压力大小重复试验五次，记录滑动摩擦力与压力的大小，计算比例系数μ.具体材料和接触表面的搭配是：木块与玻璃板（玻璃板垫在木块与传送带之间并与传送带保持静止）;木块与塑料板（塑料板垫在木块与传送带之间并与传送带保持静止）;控制木块完全相同，并控制玻璃板和塑料板表面的粗糙程度相同（在显微镜下观察玻璃板和塑料板表面，若观察到的表面情况几乎无差别即可近似认为粗糙程度相同），也可以使用手机贴膜的两个表面：塑料薄膜面和钢化膜面（在显微镜下观察两个表面，观察到的表面情况几乎无差别）代替玻璃板和塑料板.接下来让学生分组进行实验.表6、7是我们用手机贴膜的两个表面所做实验的数据.实验结束后引导学生再用上文所述解析法和图像法（如图8、9所示）处理数据，发现接触面粗糙程度相同、材料不同时，比例系数μ不同.

最后归纳得出结论：滑动摩擦力大小与压力大小成正比，即Ff=μFN，比例系数即动摩擦因数μ与两个物体接触面的材料和粗糙程度都有关系，接触面材料相同时，粗糙程度越大，μ越大.

3 反思与启示

如上所述的教材处理方法，凸显了对学生科学探究能力的培养.在探究滑动摩擦力与压力的定量关系中学生发现了新的问题（滑动摩擦因数是否与材料的种类有关？），进而展开进一步的再探究，使学生体验了真实探究过程的曲折与艰辛;用手机贴膜的正反两个表面保证粗糙程度基本一致，培养了学生的科学态度;探究中的猜想与假设、设计实验、分析与论证诸环节中用到了多种心理学层面的科学思维方法和物理学科层面的科学方法，经历了多种科学思维过程，培养了学生的科学思维能力，也使学生学习了物理科学方法;在改进实验装置的过程中使学生真切体会不迷信书本的创新精神;学生通过探究促进了自身对滑动摩擦力规律的建构，有利于物理观念的形成;最终结论的得出证实了课本上的结论，使学生体验到了获得成功的喜悦.

如何在新课标的指导下利用新教材，促进学生物理学科核心素养的发展，是高中物理教学中亟待解决的新问题.要在教学中促进学生物理学科核心素养的发展，首先要对教材进行分析，分析的主要依据是：新课标提出的物理学科核心素养的四个方面、新课标的课程内容部分对具体教学内容的要求、物理学科的知识体系、学生的认识规律.其次要不拘泥于教材，要充分挖掘章节具体教材所隐含的发展学生物理学科核心素养的作用，创造性地对教材内容进行重组、改进和补充，设计有助于全面达成新课标核心素养教学目标的教学过程，将发展学生的物理学科核心素养落实到课堂教学中.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]王丽娟.以核心素养为导向的实验教学策略初探.[J].中学物理，2019（01）：08-10.

[3]于凡，任新成.显化科学方法之科学探究法[J].中学物理，2019（01）：40-43.

（收稿日期：2019-10-31）