“静摩擦力”课堂教学方式探讨
2022-06-08
受力分析是解决力学问题的关键；受力分析时，经常遇到对静摩擦力的分析。而静摩擦力的大小及方向的确定是高中阶段学生见到的常见力中较难的。也是高中物理教学中的重点和难点之一。为突破这个教学难点，笔者对“静摩擦力”的课堂教学方式进行一些探讨。
一、新课引入方式
1.以问题方式引入
提出以下问题供学生思考：（1）静摩擦力的概念是什么？方向如何确定？表达式中关键字及其含义是什么？（2）受静摩擦力作用的物体一定静止吗？举例说明。（3）产生静摩擦力的条件如何？（4）静摩擦力有最大值吗？它的大小如何确定？
通过看书和对以上问题的思考，学生粗略知道这一节课内容哪些地方难懂，上课时需要特别留心听讲，课后注意复习并有针对性地进行训练，做到心中有数。
2.分析生活实例引入
引导学生从现实生活中找出静摩擦力有关的例子，进行分析。
例如，（1）人走路时与地面之间有静摩擦力，否则人不能向前进。（2）手握玻璃瓶子不会掉，是因为瓶子受到手对它向上的静摩擦力的作用。（3）用水平力推桌子时，桌子为什么没有向前运动？是因为桌子与地面有静摩擦力的作用。通过实例分析，学生感受到静摩擦力就在身边，对静摩擦力有一种亲切感，消除了对此知识的陌生感。
二、新课教学方式
1.课堂实验探究得出静摩擦力概念、条件及方向
为了深入研究静摩擦力，课前准备好实验器材，课堂上安排学生独立完成以下两个探究实验：
（1）毛刷实验：将一长毛刷固定在一木块下表面，在木块右侧装一挂钩；同时将砂纸铺在桌面上，以增加摩擦力。提醒每个学生一边实验一边观察毛刷的变化情况。把木块和毛刷一起放在砂纸上，毛刷与砂纸相接触，用弹簧秤沿水平方向拉木块，保持其不发生移动，同学们立即看到刷毛偏移的方向。根据力的作用效果，学生很容易分析出使刷毛发生形变的力就是静摩擦力。学生清楚地“看到”了静摩擦力的存在，易于理解。
（2）手压桌面推拉实验
学生在毛刷实验中“看到”静摩擦力确实存在，但感受不够深刻。笔者接着让学生做手压桌面推拉实验：把一只手放在水平桌面上用力压桌面的同时推或拉（但要保持手与桌面相对静止）。这时，学生就会强烈感觉到静摩擦力的存在。并且认识到用力推（拉）手时感觉到有一个力阻碍手运动，这个力的方向跟推（拉）手的方向相反。故静摩擦力的方向应该与接触面相切，与物体运动趋势方向相反。
这个实验操作简单，效果明显，深受学生的喜爱。
经过实验探究，学生对静摩擦力的认识比较深刻。此时老师把握机会及时指导学生对这部分内容进行小结，得出静摩擦力的概念、产生条件及方向。
2.利用演示实验进行静摩擦力大小的教学
请先观察以下实验：
演示1：静止在粗糙的水平面上的物体，它的受力怎么样？
结论：物体受到竖直向下的重力和竖直向上的支持力，不受静摩擦力。
演示2：用弹簧秤水平慢慢拉物体，物体由静止变为运动。指导学生仔细观察弹簧秤示数变化：从零开始增大到某一数值之前，物体保持静止，当弹簧秤示数等于某个值时物体开始运动；物体运动后弹簧秤数值减小一些。用不同质量物体重复上述实验。
结论：用弹簧秤拉物体，物体静止时受到的力有四个，即重力、支持力、弹簧秤对物体的拉力、静摩擦力。其中静摩擦力方向跟物体运动趋势方向相反（即跟拉力的方向相反）。从二力平衡知道，当拉力增大，静摩擦力（f静）也增大。这说明，静摩擦力的大小是变化的。从实验可看出，当拉力增大到某一值，物体从原来静止变为运动，弹簧秤读数也随即减小。因此静摩擦力有最大值（fMAX）。故此，静摩擦力的大小为0≤f静≤fMAX。
三、通过案例分析方式对难点进行归纳
刚接触静摩擦力的学生往往对判断静摩擦力的方向感到困难，可通过对案例分析归纳出判断静摩擦力方向的常用方法
（1）假设法。我们可假设接触面是光滑的，判断物体将向哪个方向滑动，从而确定相对运动趋势的方向，进而判断出静摩擦力的方向。
如图1所示，物体A静止在斜面B上，要判断A所受静摩擦力的方向，可设斜面光滑，则物体将沿斜面下滑，说明物体静止在斜面上时有相对斜面下滑的趋势，从而判定A所受的静摩擦力方向沿斜面向上。
（2）根据物体的运动状态判断如图2所示，在拉力F作用下，A、B一起在水平地面上匀速运动。对A来说，它在水平方向受到向右的拉力F而处于平衡状态。
根据平衡条件知，A必然受沿A、B接触面向左的静摩擦力作用。A、B接触面上，B受到向右的静摩擦力作用。这也说明了，受静摩擦力作用的物体不一定静止。
四、通过课堂练习方式巩固知识
为了巩固这节课的基础知识，加强对本节的重点、难点知识的训练，精选有代表性的习题，让学生堂上练习、交流与讨论。老师随堂观察，物色“小先生”。待学生完成练习，请“小先生”跟同学们分析每一题的解答思路，最后由老师点评。
（1）皮带运输机把货物由低处送到高处（货物相对于皮带静止）试分析此时货物相对于皮带的运动趋势方向和所受静摩擦力的方向。
分析：若货物与皮带的接触面是光滑的，那么当把货物放在皮带上时货物将向下滑动而无法向上运动，即货物相对皮带的运动趋势方向向下。由于静摩擦力方向与物体相对运动趋势方向相反，所以货物受到的静摩擦力方向沿皮带向上。
（2）木块放在水平面上，用同样大小的外力F，先自左向右推，后自右向左推，木块均保持静止。问：（1）前后两次推木块，木块受到的静摩擦力是否相同？（2）若将外力F增大至10N，木块恰能滑动，则木块与水平面间的静摩擦力的取值范围是多少？
分析：前后两次推木块，木块未能运动，说明木块受到摩擦力的作用且大小与外力F相等，方向相反。甲图中外力F自左向右推木块，使木块有一自左向的运动趋势，而静摩擦力的方向与运动趋势方向相反，故应自右向左。同理，乙图中的静摩擦力大小等于外力F，方向应自左向右。可见，两次以同样大小的外力F推木块，木块受到的静摩擦力大小相等，但方向相反，故前后两次木块受到的静摩擦力不相同。木块与水平面间的静摩擦力的取值范围是0到10N。
（3）如图，位于斜面上的物块M在沿斜面向上的力F作用下，处于静止状态，试分析斜面对物体的静摩擦力方向如何？
设斜面光滑，物体相对斜面的运动情况有三种可能：若推力F较小，物体有沿斜面向下运动的趋势；若推力F大小适宜，物体无滑动的趋势，物体仍保持静止；若推力F较大，物体有沿斜面向上运动的趋势。因此，相应的物体与受斜面的静摩擦力的方向也有三种可能：沿斜面向上；不受静摩擦力；沿斜面向下。
实践证明，关于“静摩擦力”的教学，采取上述的方式，可调动学生参与课堂教学的积极性，达到教学相长的目的，取得很好的教学效果。
一、新课引入方式
1.以问题方式引入
提出以下问题供学生思考：（1）静摩擦力的概念是什么？方向如何确定？表达式中关键字及其含义是什么？（2）受静摩擦力作用的物体一定静止吗？举例说明。（3）产生静摩擦力的条件如何？（4）静摩擦力有最大值吗？它的大小如何确定？
通过看书和对以上问题的思考，学生粗略知道这一节课内容哪些地方难懂，上课时需要特别留心听讲，课后注意复习并有针对性地进行训练，做到心中有数。
2.分析生活实例引入
引导学生从现实生活中找出静摩擦力有关的例子，进行分析。
例如，（1）人走路时与地面之间有静摩擦力，否则人不能向前进。（2）手握玻璃瓶子不会掉，是因为瓶子受到手对它向上的静摩擦力的作用。（3）用水平力推桌子时，桌子为什么没有向前运动？是因为桌子与地面有静摩擦力的作用。通过实例分析，学生感受到静摩擦力就在身边，对静摩擦力有一种亲切感，消除了对此知识的陌生感。
二、新课教学方式
1.课堂实验探究得出静摩擦力概念、条件及方向
为了深入研究静摩擦力，课前准备好实验器材，课堂上安排学生独立完成以下两个探究实验：
（1）毛刷实验：将一长毛刷固定在一木块下表面，在木块右侧装一挂钩；同时将砂纸铺在桌面上，以增加摩擦力。提醒每个学生一边实验一边观察毛刷的变化情况。把木块和毛刷一起放在砂纸上，毛刷与砂纸相接触，用弹簧秤沿水平方向拉木块，保持其不发生移动，同学们立即看到刷毛偏移的方向。根据力的作用效果，学生很容易分析出使刷毛发生形变的力就是静摩擦力。学生清楚地“看到”了静摩擦力的存在，易于理解。
（2）手压桌面推拉实验
学生在毛刷实验中“看到”静摩擦力确实存在，但感受不够深刻。笔者接着让学生做手压桌面推拉实验：把一只手放在水平桌面上用力压桌面的同时推或拉（但要保持手与桌面相对静止）。这时，学生就会强烈感觉到静摩擦力的存在。并且认识到用力推（拉）手时感觉到有一个力阻碍手运动，这个力的方向跟推（拉）手的方向相反。故静摩擦力的方向应该与接触面相切，与物体运动趋势方向相反。
这个实验操作简单，效果明显，深受学生的喜爱。
经过实验探究，学生对静摩擦力的认识比较深刻。此时老师把握机会及时指导学生对这部分内容进行小结，得出静摩擦力的概念、产生条件及方向。
2.利用演示实验进行静摩擦力大小的教学
请先观察以下实验：
演示1：静止在粗糙的水平面上的物体，它的受力怎么样？
结论：物体受到竖直向下的重力和竖直向上的支持力，不受静摩擦力。
演示2：用弹簧秤水平慢慢拉物体，物体由静止变为运动。指导学生仔细观察弹簧秤示数变化：从零开始增大到某一数值之前，物体保持静止，当弹簧秤示数等于某个值时物体开始运动；物体运动后弹簧秤数值减小一些。用不同质量物体重复上述实验。
结论：用弹簧秤拉物体，物体静止时受到的力有四个，即重力、支持力、弹簧秤对物体的拉力、静摩擦力。其中静摩擦力方向跟物体运动趋势方向相反（即跟拉力的方向相反）。从二力平衡知道，当拉力增大，静摩擦力（f静）也增大。这说明，静摩擦力的大小是变化的。从实验可看出，当拉力增大到某一值，物体从原来静止变为运动，弹簧秤读数也随即减小。因此静摩擦力有最大值（fMAX）。故此，静摩擦力的大小为0≤f静≤fMAX。
三、通过案例分析方式对难点进行归纳
刚接触静摩擦力的学生往往对判断静摩擦力的方向感到困难，可通过对案例分析归纳出判断静摩擦力方向的常用方法
（1）假设法。我们可假设接触面是光滑的，判断物体将向哪个方向滑动，从而确定相对运动趋势的方向，进而判断出静摩擦力的方向。
如图1所示，物体A静止在斜面B上，要判断A所受静摩擦力的方向，可设斜面光滑，则物体将沿斜面下滑，说明物体静止在斜面上时有相对斜面下滑的趋势，从而判定A所受的静摩擦力方向沿斜面向上。
（2）根据物体的运动状态判断如图2所示，在拉力F作用下，A、B一起在水平地面上匀速运动。对A来说，它在水平方向受到向右的拉力F而处于平衡状态。
根据平衡条件知，A必然受沿A、B接触面向左的静摩擦力作用。A、B接触面上，B受到向右的静摩擦力作用。这也说明了，受静摩擦力作用的物体不一定静止。
四、通过课堂练习方式巩固知识
为了巩固这节课的基础知识，加强对本节的重点、难点知识的训练，精选有代表性的习题，让学生堂上练习、交流与讨论。老师随堂观察，物色“小先生”。待学生完成练习，请“小先生”跟同学们分析每一题的解答思路，最后由老师点评。
（1）皮带运输机把货物由低处送到高处（货物相对于皮带静止）试分析此时货物相对于皮带的运动趋势方向和所受静摩擦力的方向。
分析：若货物与皮带的接触面是光滑的，那么当把货物放在皮带上时货物将向下滑动而无法向上运动，即货物相对皮带的运动趋势方向向下。由于静摩擦力方向与物体相对运动趋势方向相反，所以货物受到的静摩擦力方向沿皮带向上。
（2）木块放在水平面上，用同样大小的外力F，先自左向右推，后自右向左推，木块均保持静止。问：（1）前后两次推木块，木块受到的静摩擦力是否相同？（2）若将外力F增大至10N，木块恰能滑动，则木块与水平面间的静摩擦力的取值范围是多少？
分析：前后两次推木块，木块未能运动，说明木块受到摩擦力的作用且大小与外力F相等，方向相反。甲图中外力F自左向右推木块，使木块有一自左向的运动趋势，而静摩擦力的方向与运动趋势方向相反，故应自右向左。同理，乙图中的静摩擦力大小等于外力F，方向应自左向右。可见，两次以同样大小的外力F推木块，木块受到的静摩擦力大小相等，但方向相反，故前后两次木块受到的静摩擦力不相同。木块与水平面间的静摩擦力的取值范围是0到10N。
（3）如图，位于斜面上的物块M在沿斜面向上的力F作用下，处于静止状态，试分析斜面对物体的静摩擦力方向如何？
设斜面光滑，物体相对斜面的运动情况有三种可能：若推力F较小，物体有沿斜面向下运动的趋势；若推力F大小适宜，物体无滑动的趋势，物体仍保持静止；若推力F较大，物体有沿斜面向上运动的趋势。因此，相应的物体与受斜面的静摩擦力的方向也有三种可能：沿斜面向上；不受静摩擦力；沿斜面向下。
实践证明，关于“静摩擦力”的教学，采取上述的方式，可调动学生参与课堂教学的积极性，达到教学相长的目的，取得很好的教学效果。