“摩擦力”的概念诠释及教学甄选

2019-09-09 06:30:49 教学月刊·小学综合 2019年8期

叶晓林

【摘   要】在用弹簧测力计测量摩擦力时,有的教师会选择物体刚启动时的读数,有的教师会选择物体匀速运动过程中的读数。孰是孰非,莫衷一是。基于此,教师可以从摩擦力的概念认知出发,采用一系列的对比实验,研讨最大静摩擦力和动摩擦力之间的异同,阐述选择的理由,并对“测量时为什么要沿水平方向拉动”进行深入的分析,从而给予学生正确的概念铺垫和方法指导,真正实现一个趋向于大概念的学习过程。

【关键词】摩擦力;静摩擦力;动摩擦力

摩擦力是经典力学中的一个名词,是指两个互相接触的物体有弹力,当它们发生或有趋势发生相对运动时,就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力,这种力就叫作摩擦力。教育科学出版社出版的小学《科学》五年级上册“运动和力”单元第5课《运动与摩擦力》中采用的测量定义是:我们用测力计沿水平方向拉一个物体,刚好能使这个物体运动起来的力就相当于它受到的摩擦力。而浙江教育出版社出版的初中《科学》七年级下册第三章第六节中,探究“摩擦力大小与什么有关”的实验所采用的测量方法是:用弹簧测力计匀速拉动物体,并在这一过程中快速读数。两种测量方法孰是孰非,一线教师究竟该如何进行教材解读并做出抉择?

一、最大静摩擦力和动摩擦力的概念辨析

在物理学中,摩擦力分为两种:一种是两个接触物体之间存在相对滑动时,接触面上产生阻碍对方滑动的阻力,被称为动滑动摩擦力,简称动摩擦力;另一种是两个相互接触的静止物体,当接触表面之间有相对滑动的趋势,会产生阻碍相对滑动的阻力,被称为静滑动摩擦力,简称静摩擦力。当外力增大时,静摩擦力也随之增大,但当外力增大到一定数值时,物体就会运动,可见静摩擦力增加到一定数值后就不能再增大了,这一数值的静摩擦力叫作最大静滑动摩擦力,简称最大静摩擦力。因此,测量物体刚刚运动起来的力就相当于测量了物体的最大静摩擦力;而测量匀速运动时的摩擦力就相当于测量了物体的动摩擦力。需要补充解释的是,物体刚刚运动起来的力和最大静摩擦力只能用“相当于”一词来表述,不能用“等同于”,因为刚运动起来的力恰好突破了最大静摩擦力的临界点,如果是“等同于”,则在二力平衡之下,物体永远处在静止状态。

那么,在测量物体摩擦力大小时,能否将同一物体的最大静摩擦力和动摩擦力混为一谈?它们的大小相同吗?对此,还是用实验数据来说话比较科学。

二、最大静摩擦力和动摩擦力的大小比较

教师可设计三组实验:分别在光滑的桌面、1000目砂纸、280目砂纸上拉同一物体,以测量物体刚启动时的最大静摩擦力和匀速运动过程中的动摩擦力。测量时只改变接触面的光滑程度,尽可能控制其他的相关变量。实验装置如图1所示。

教师汇总整理三组实验数据,得出表1。

从数据中可以發现,不管接触面的光滑程度怎样变化,测得的“刚启动时的摩擦力”与“匀速运动时的摩擦力”数值都是不同的,而且数值还呈现出一个很有趣的规律:“刚启动时的摩擦力”总是大于“匀速运动时的摩擦力”。为什么会这样呢?

动摩擦力与两物体间的正压力FN成正比。即Fd=fd·FN,其中fd为动摩擦系数。最大静摩擦力与两物体间的正压力FN成正比,即Fmax=?FN。公式中,?为静摩擦系数。物理学研究表明:同一物体的动摩擦系数和静摩擦系数是不同的,并且静摩擦系数大于动摩擦系数。江西省新余学院谢世汉教授曾经在《为什么静摩擦系数大于动摩擦系数》一文中提出了以下几个观点。

(1)摩擦力的产生存在于“粘着”和“微凸体互嵌”两种表面相互作用之中。

(2)决定摩擦系数大小的因素有:组成摩擦耦件的材料分子结构;表面加工的粗糙度;表面相对静止的接触时间;材料的弹塑性、物理特性;表面覆盖物;动摩擦时夹杂在两表面之间的微粒。

(3)动摩擦与静摩擦的三个差异:表面相对静止的接触时间,静摩擦大于动摩擦;动摩擦时,表面的物理特性不同于静摩擦,可以回收一部分弹性形变能;动摩擦时,两表面之间有微粒夹杂,会削弱两种表面的相互作用。

谢教授的几个观点表述都相当专业,我们取其部分内容作简单化理解:无论物体间的接触面多么光滑,它们的表面都存在着凹凸体。将发生摩擦的两个物体的接触面放大,就可以看到最大静摩擦发生时,物体从静止到运动的变化是要把没有变形的粗糙面切向挤压到形变的程度(见图2),滑动摩擦是在接触面已经产生形变的基础上,只需克服前面还未发生形变的粗糙颗粒(见图3)。对比分析两个模型,静摩擦力应该大于滑动摩擦力。

三、最大静摩擦力和动摩擦力的教学甄选

既然已经得出了科学的结论:测量物体的摩擦力采用刚启动时的读数或匀速中的读数都是可行的,但两种方法所测得的最大静摩擦力和动摩擦力是两个不同的物理概念,且它们的大小不同,教学时不可混淆。那么,从小学科学教师的角度而言,又该如何甄选测量方法开展教学实践呢?测量时,又该注意一些什么?

(一)测量方法的甄选

基于最大静摩擦力和动摩擦力的概念诠释,教师在设计教学时不外乎有以下三种选择。

1.尊重教材,按部就班

也就是说,依然采用测量最大静摩擦力的方法,探究“摩擦力大小与接触面状况的关系”和“摩擦力大小与物体重力的关系”。这种设计的最大缺点是无法与初中的摩擦力测量方法接轨,会造成实验方法断层,给摩擦力测量的学习进阶带来不小的影响。

2.降低难度,弃“静”留“动”

这种设计是将与“静摩擦力”相关的内容和测量方法都删除,从头到尾只采纳“动摩擦力”。其优点是大大降低了教师“教”和学生“学”的难度,且和初中教学接轨。唯一的缺憾就是舍去了“静摩擦力”,总觉得在学生的认知铺垫上少了一个支柱。

3.全新解读,科学授之

该设计的意思就是干脆全部放开,从开始教学时就告诉学生有两种摩擦力以及不同的测量方法,然后选择“物体匀速运动过程中的读数”的方法来研究“摩擦力大小与什么有关”的问题,以及第6课“滑动与滚动”中的测量方法。这种设计的优点是,让学生知晓两种摩擦力的测量方法,尽管在学生面前没有提及“静摩擦力”“动摩擦力”这两个概念,但已进行无形渗透,为今后的学习起到了铺垫作用。不足之处在于,这是否能与五年级学生的认知水平合拍?40分钟的教学时间能否完成这个容量的教学任务?

权衡利弊之后,一线教师究竟该做如何抉择?是否还有更恰当的第四种、第五种教学设计?相信这也是一个见仁见智的问题!

(二)测量条件的控制

关于摩擦力的测量,小学《科学》教材中还设置了一个非常严格的条件:测量水平方向运动物体受到的摩擦力。这是因为实际生产、生活中分析摩擦力方向是一个非常复杂的过程,而一个物体在水平方向被匀速拉动或有运动趋势时,它在水平方向只受到拉力和摩擦力,垂直方向只受到重力和支撑面对它的支持力。此时,正压力等于物体受到的重力,即动摩擦力与物体的重力成正比。

若物体沿斜面运动时(如图4),物体对斜面的正压力就不是物体的重力,而是物体的重力与cosα的乘积。经过数学运算的摩擦力,也可以视作与物体重力有关。

若物体被手按在垂直的墙面上并做向下滑动时(如图5),此时的正压力就是手对墙面的压力F压,与物体的重力是没有任何关系的。

很明显,对后两种受力的分析远高于小学生的认知水平,而用“测力计沿水平方向拉物体”测量摩擦力的方法,则巧妙地规避了这一难点,符合小学阶段对摩擦力探究的水准,即“在水平面上拉动物体,物体重,运动时的摩擦力就大;物体轻,运动时的摩擦力就小”。

概而言之,摩擦力的测量是物理教学中的经典内容,教师只有从小学阶段就开始给予学生正确的概念铺垫和方法指导,才是真正实现一个趋向于大概念的学习过程。

参考文献:

[1]赵凯华,罗蔚茵.新概念物理教程(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2]谢世汉.为什么静摩擦系数大于动摩擦系数[N].江西师范大学学报:自然科学版,1984(2).

[3]刘增泽,冯杰.牛顿三定律与摩擦力教学的实验设计[J].物理教学探讨,2017(8).

(浙江省杭州市下城区教师教育学院   310005)