利用自制教具探究不同场景下的静摩擦力

陈华轩

［摘 要］静摩擦力是高中物理的重点和难点，较为抽象，学生不易理解。教材的实验设计和传统的实验器材在探究静摩擦力的方向及大小的变化特点上存在不足。为了帮助学生更好地理解静摩擦力，探究静摩擦力的大小及方向的变化特点，教师可自制静摩擦力演示仪，引导学生探究不同场景下的静摩擦力，进而让学生掌握静摩擦力的变化情况。

［关键词］自制教具；不同场景；静摩擦力

［中图分类号］    G633.7            ［文献标识码］    A          ［文章编号］    1674-6058（2023）15-0047-03

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中提到：“引导教学更加关注育人目的，更加注重培养学生核心素养。”物理学科核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面。实验是物理学的基础，其贯穿整个物理教学，是培养学生核心素养必不可少的手段。在激发学生学习兴趣、突破教学重难点上实验的作用更是显而易见。

随着科学技术的发展和育人理念的更新，物理教师对实验的重视程度也在逐步提升。由于学校实验器材的限制等，使得部分实验无法顺利开展，为此物理教师选择了自制教具辅助教学，收到了不错的效果，也给课堂增色不少。本文主要阐述如何利用自制教具——静摩擦力演示仪突破教学难点。

一、 教材中关于静摩擦力的演示

“摩擦力”是人教版高中物理教材必修第一册第三章第二节的内容。摩擦力是高中物理的一个重点知识，同时也是大部分学生的学习难点。尤其是静摩擦力，一直以来都被学生认为是一块难啃的“硬骨头”。教材课后练习中从方向和大小两个方面引导学生对静摩擦力展开了探究。其中，探究静摩擦力方向的主要有三个小实验：手压着桌面向前移动，会明显地感到桌面对手有向后的静摩擦力；手握住玻璃瓶，如果松手，玻璃瓶将会竖直下落，说明玻璃瓶受到向上的静摩擦力；水平推木箱，但没有推动，根据二力平衡可知，木箱受到与推力方向相反的静摩擦力。探究静摩擦力大小的实验则有：用弹簧测力计沿水平方向拉静止在水平桌面上的木块，弹簧测力计的读数即为木块所受到的静摩擦力的大小。这些实验简单易操作，但也存在以下不足：（1）无法直观观察到静摩擦力的方向；（2）无法同时显示静摩擦力大小、方向的变化。为此，笔者自制了静摩擦力演示仪，并用其辅助实验教学，取得了良好的实验教学效果。

二 、静摩擦力演示仪介绍

（一）装置与结构

静摩擦力演示仪的装置与结构如图1和图2所示。

静摩擦力演示仪主要分为箱体、毛刷两个部分。箱体用于演示静摩擦力的大小，毛刷用于演示静摩擦力的方向。箱体内部装有两根横梁，其中一根横梁的左右两端各串有一根弹簧，弹簧一端与箱体侧面固定，另一端与塑料管连接，塑料管下端与一方形摩擦块相连，摩擦块底面与毛刷下端基本持平。左右弹簧使塑料管处于平衡状态，用力向右轻推箱体，使箱体有相对地面向右运动的趋势，毛刷倾斜，定性显示静摩擦力的方向。摩擦块受到相对桌面向左的静摩擦力，静摩擦力的大小由指针指示刻度显示，当然，刻度显示的不是摩擦力大小的具体读数，而是摩擦力大小的变化情况。

（二）制作材料

弹簧、刻度板、木箱、金属杆、毛刷、滑块、塑料管。

（三）制作方法

1.准备一个箱体，去掉箱體下底面，在箱体的上底面中间开一个长方形的槽（见图3）。

2.在箱体的中间位置水平安装两根金属横梁，在一根塑料管的中间位置钻四个小孔，让横梁从小孔穿过，调节塑料管，使其可以在横梁上左右移动（见图4），并且使摩擦尽可能小。

3.将两根劲度系数适中的弹簧穿在其中一根横梁的左右两端，弹簧一端与箱体侧面固定，另一端与塑料管固定（见图5）。

4.塑料管下端固定一个方形铁块充当摩擦块（见图6）。

5.在塑料管的上端装上指针，在指针后面竖直安装一块纸板并在纸板上画出刻度（见图7）。

6.在箱体下端装上软毛，并用细绳将软毛分成小束（见图8）。

三、应用静摩擦力演示仪探究三种场景下的静摩擦力的情况

静摩擦力演示仪可以用于探究三种场景下物体所受静摩擦力的情况。

（一）水平方向上的物体所受的静摩擦力随外力变化的情况

将静摩擦力演示仪置于粗糙的水平桌面上，调节刻度板，使指针指在中间刻度线处。往左轻推静摩擦力演示仪，使箱体有相对桌面向左运动的趋势，此时，毛刷向右倾斜，同时指针向右偏（见图9），表示箱体受到的静摩擦力方向向右。继续增大推力，但仍保持箱体相对桌面静止，发现毛刷倾斜方向不变，指针偏转幅度变大，表示箱体受到的静摩擦力变大（见图10）。

（二）斜面上的物体所受的静摩擦力随外力变化的情况

调节静擦力演示仪的刻度板，使指针指在中间刻度线处。将静擦力演示仪置于粗糙斜面上，在重力的作用下，静擦力演示仪有沿斜面向下运动的趋势，此时，指针向右偏转，毛刷沿斜面向上倾斜，显示箱体受到的静摩擦力方向沿斜面向上（见图11）。用沿斜面向上的力轻推静摩擦力演示仪（见图12），逐渐增大推力，但仍保持箱体相对斜面静止，可看到静摩擦力先变小后变大，方向由沿斜面向上变为沿斜面向下（见图13）。

该实验还可以拓展为探究物体在倾斜传送带上随传送带一起运动时所受静摩擦力的情况。如让某一木板保持一定的倾斜角匀速上行或下行，令静摩擦力演示仪与木板始终保持相对静止，观察到毛刷均沿斜面向上倾斜，显示物体受到的静摩擦力方向均沿斜面向上。改变木板的运动速度，可以观察到较复杂运动情况下物体所受静摩擦力的情况。

（三）物体水平加速或减速时静摩擦力的变化情况

在汽车上安装一块水平粗糙木板，将静摩擦力演示仪放在水平木板上，调节刻度板，使指针指在中间刻度线处。将汽车开至车流量较小的平直马路上，以较大的加速度给汽车加速，此时指针向右偏转，毛刷向右倾斜（见图14），与汽车前进方向一致。接着，紧急刹车使汽车减速，此时指针向左偏转，毛刷向左倾斜（见图15），表示箱体受到与汽车前进方向相反的静摩擦力。

教师将此实验拍成视频，然后在课堂上给学生展示。

通过运用静摩擦力演示仪对三种常见场景下的静摩擦力展开探究，学生对静摩擦力的变化特点理解更加深刻，突破了教学难点。同时，在探究的过程中，学生的物理观念、科学探究等核心素养也得到了很好的提升。

四、静摩擦力在高考中的体现

静摩擦力为高考物理的必考考点，题型不一、难度偏大，但总体而言，大部分考查静摩擦力的题目情境都是上述三种常见场景的延伸。如，2019年高考全国Ⅰ卷物理试题第19题就对第二种场景进行了考查。题目：如图16所示，一粗糙斜面固定在地面上，斜面顶端装有一光滑定滑轮。一细绳跨过滑轮，其一端悬挂物块[N]，另一端与斜面上的物块[M]相连，系统处于静止状态。现用水平向左的拉力缓慢拉动[N]，直至悬挂[N]的细绳与竖直方向成45°。已知[M]始终保持静止，则在此过程中（）。

A. 水平拉力的大小可能保持不变

B. [M]所受细绳的拉力大小一定一直增加

C. [M]所受斜面的摩擦力大小一定一直增加

D. [M]所受斜面的摩擦力大小可能先减小后增加

这道题可先对[N]进行受力分析，得出细绳的拉力大小一直在增加，然后对[M]进行受力分析，显而易见，[M]受到的静摩擦力的变化情况与第二种场景一致。运用斜面上物体静摩擦力随外力的变化特点分析得出，[M]所受斜面的摩擦力大小可能是先减小后增加。

又如，2014年高考江苏卷物理试题第8题：如图17所示，[A]、[B]两物块的质量分别为2[m]和[m]，静止叠放在水平地面上。A、B间的动摩擦因数为[μ]，[B]与地面间的动摩擦因数为[12μ]。最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度为[g]。现对[A]施加一水平拉力[F]，则（）。

A. 当[F<2μmg]时，[A]、[B]都相对地面静止

B. 当[F=5/2μmg]时，[A]的加速度为[1/3μg]

C. 当[F>3μmg]时，[A]相对[B]滑动

D. 无论[F]为何值，[B]的加速度不会超过[1/2][μg]

这道题属于力与运动的模块，解题的关键在于分析出[A]与[B]、[B]与地面之间的摩擦力的变化情况。在[A]与[B]、[B]与地面未发生相对运动时，物体受到的摩擦力均为静摩擦力。运用水平方向上的物体所受的静摩擦力随外力变化的特点，以及结合牛顿第二定律即可得出答案。

五、静摩擦力演示仪的优点

静摩擦力演示仪具有以下优点：

1. 取材简单，制作成本低。演示仪的制作材料大部分来源于实验废弃用料，变废为宝，成本接近零。

2. 能演示多种场景下静摩擦力的变化情况，弥补教材中只演示水平方向、竖直方向上物体所受的静摩擦力的变化情况的不足。

3. 将静摩擦力的大小和方向展示融为一体，解决了传统实验器材难以同时展示的不足。

4. 操作简易，实验现象稳定直观。

六、教学实践体会

随着新课程改革的不断推进，实验数量大大增加，实验方法不断改进，教师积极开发与应用自制教具有着积极的意义。

1. 自制教具有高度的灵活性、直观性和针对性的特点，可以增加学生的直观体验，形象化理论知识，提高学生的学习兴趣，帮助学生理解知识，有效突破教学难点。

2.自制教具是教师为了突破教学难点而进行的“创造”，同时也是教师对实验的一种态度。这种态度直接影响学生，如果教师能经常向学生展示自己的“自创产品”，学生也会在润物细无声中跃跃欲试，教师适时地加以引导，鼓励学生动手制作学具，能更好地培养学生的创新意识及解决问题的能力，锻炼学生的观察能力和思维能力，促使学生得到全面发展，提升學生的科学素养。

3.教具的制作过程涉及大量的学科知识和实践技术，设计、制作和调试等环节均需要教师具备创造能力和突破精神，且这些环节的反复推敲亦充满挑战和乐趣。在制作教具的过程中，教师的动手能力、创新能力、思维水平都会逐渐提高。因此，自制教具也是提升教师个人专业素养的有效途径。

［   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：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］  吴广国，邹斌. 测量静摩擦力大小实验中需要关注的三个问题［J］.中学物理教学参考，2021（10）：49-51.

［3］  蔡钳，陈信余. 再议“摩擦力”教学中的几个疑虑［J］.物理教师，2020（7）：60-61，63.

［4］  王松，王国强，徐进红.高中物理教学中自制教具的开发与利用实践研究［J］.中学物理教学参考，2022（34）：47-51.

（责任编辑 黄春香）