初中物理（基于科学课程）七年级：摩擦力竞赛培优深度探究

初中物理（基于科学课程）七年级：摩擦力竞赛培优深度探究一、教学内容分析  摩擦力是初中力学体系中的核心概念之一，在《义务教育物理课程标准》中属于“运动和相互作用”主题下的重要内容。本讲知识技能图谱清晰：需从定性感知（摩擦力的存在、方向、种类）深入到定量探究（滑动摩擦力大小的影响因素及公式$f=μN$），并最终落脚于综合应用（分析生活与工程中的摩擦现象）。它在整个单元中起着承上启下的枢纽作用，上承“力的概念与测量”、“二力平衡”，下启“力的合成与分解”、“牛顿运动定律”，是学生从静态力学分析迈向复杂动力学分析的关键阶梯。其过程方法路径体现为典型的科学探究流程：提出问题→猜想与假设→设计实验→进行实验→分析论证→评估交流。本讲将引导学生完整经历一次控制变量法的规范应用，并初步尝试利用数学工具描述物理规律（$f$$N$图像），这正是将“科学探究”素养落地的具体实践。在素养价值渗透层面，对摩擦力“利弊”的辩证分析，有助于培养学生的科学态度与社会责任，理解科学技术应用于社会实际时应秉持的理性与审慎。  本讲面向竞赛培优学生，学情诊断需立体化。其已有基础扎实，已掌握力的基本概念与测量、二力平衡原理，具备初步的实验设计与数据分析能力。兴趣点通常在于现象背后的本质规律和富有挑战性的应用问题。可能存在的认知障碍与思维难点在于：其一，对“相对运动趋势”这一抽象概念的理解，尤其是静摩擦力方向的判断；其二，易混淆“压力”与“重力”，在接触面不水平时难以正确分析压力；其三，对摩擦系数$μ$作为接触面“粗糙程度”的量化表征，其无单位特性的理解。教学调适策略上，需设计阶梯式任务与问题链，为不同思维速度的学生提供支持。通过前测性提问（如“没有摩擦力，世界会怎样？”）激活前概念；在新授中嵌入即时性小练习（如判断摩擦力方向），动态评估理解程度；为理解快速的学生准备“思维加油站”拓展材料（如摩擦的微观机理初探），为仍需巩固的学生提供“脚手架”图示和同伴互助机会。二、教学目标  知识目标：学生能够精准阐述滑动摩擦力和静摩擦力的定义，辨析其产生条件与方向判定依据；能完整叙述滑动摩擦力大小与压力、接触面粗糙度的定量关系，理解公式$f=μN$的物理意义与适用条件；能系统分析增大或减小摩擦的实例，并解释其背后的物理原理。  能力目标：学生能够独立或协作完成“探究滑动摩擦力影响因素”的完整实验，规范使用弹簧测力计并确保物体匀速直线运动，准确记录数据并绘制$f$$N$关系图像，从图像中归纳出正比关系；能够运用二力平衡和摩擦力知识，解决涉及斜面、传送带等稍复杂情境下的物体受力分析问题。  情感态度与价值观目标：在探究实验中，学生能表现出严谨、实事求是的科学态度，尊重实验数据，乐于合作与分享；在讨论“摩擦力的利与弊”时，能认识到物理知识的技术应用具有两面性，初步形成辩证看待科技影响的意识。  科学思维目标：重点发展“模型建构”与“科学推理”思维。能够将复杂的实际摩擦问题，抽象为“滑动摩擦”或“静摩擦”的物理模型；能够依据实验证据，运用控制变量法和数学归纳法，推理得出滑动摩擦定律；能对“静止物体是否受摩擦力”等易错问题进行批判性分析与论证。  评价与元认知目标：引导学生依据实验操作量规进行小组互评，反思实验设计与操作中的得失；在解决综合问题时，能自我监控解题步骤的完整性（如：是否明确研究对象、分析运动状态、判断摩擦类型等），并评估不同解题策略的优劣。三、教学重点与难点  教学重点：探究滑动摩擦力大小的影响因素，并建立$f=μN$的定量关系。确立依据在于，此部分是课标要求的核心探究活动，它不仅是理解摩擦力本质的关键，也是将猜想通过实验验证并上升为物理规律的完整科学方法训练，更是后续定量分析力学问题的基石。在能力立意的考查中，该探究过程的各个环节及公式的应用均是高频、高分值考点。  教学难点：难点一，静摩擦力的方向判断（尤其是与“相对运动趋势”方向相反的理解）及大小范围动态变化的理解。成因在于“趋势”极为抽象，需要学生具备很强的空间想象和逻辑推理能力。难点二，在非水平面上（如斜面）应用$f=μN$时，正确分析压力$N$。预设依据来自常见错误分析：学生极易将压力等同于重力或简单地认为是$mgcosθ$却不明其所以然，根源在于对“压力是垂直接触面的弹力”这一本质理解不深。突破方向在于强化受力分析的规范步骤，并利用斜面模型进行专项辨析训练。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：交互式课件（含摩擦现象动图、探究实验仿真软件）、木板、弹簧测力计（多个量程）、长方体木块（侧面粗糙度不同）、钩码、毛巾、玻璃板、圆杆铅笔若干。1.2实验与材料：学生分组实验器材包（内容同教具，每4人一组）、高精度电子测力计（用于演示静摩擦力变化）。1.3学习支持：分层学习任务单（含基础任务、挑战任务）、课堂实时反馈系统（如答题器）。2.学生准备2.1知识准备：复习力的示意图画法及二力平衡条件。2.2物品准备：科学笔记本、作图工具。3.环境布置3.1座位安排：小组合作式座位，便于实验与讨论。3.2板书记划：预留中央区域用于呈现核心探究结论和知识结构图。五、教学过程第一、导入环节  1.情境创设与认知冲突：“同学们先别急着翻书，我们来做个小游戏。我这儿有两本普通的书，我把它们的书页一页一页地交叉叠放在一起。现在，我请两位‘大力士’同学上来，各拉住一本书的书脊，试试能不能把它们拉开。”（学生尝试，通常失败）“咦？两本轻飘飘的书，怎么就变成‘难舍难分’的连体婴了？这其中的‘神秘力量’是什么呢？”（学生齐答：摩擦力！）“对，就是摩擦力！它看似平常，却隐藏着大学问。它不仅能让书分不开，还能让车跑起来、让我们走路不摔跤，可有时我们又想尽办法要减少它，比如给车轮上加润滑油。看来，我们对这位‘最熟悉的陌生人’，了解得还远远不够。”  1.1驱动问题提出：“那么，今天我们就化身科学侦探，来深度揭秘摩擦力。我们要解决的核心问题是：摩擦力究竟是如何产生的？它的大小和方向由什么决定？我们又该如何科学地描述和计算它？”  1.2学习路径预览：“我们的探案路线是：首先，现场勘查，感受摩擦力的存在与方向；然后，搜集线索，通过实验找出影响摩擦力大小的‘嫌疑人’；接着，精准画像，用数学公式给它画一幅‘标准像’；最后，实战演练，学以致用，去分析生活中那些有趣的摩擦现象。大家准备好了吗？我们的科学探案，现在开始！”第二、新授环节  任务一：感知摩擦力——定义与方向的初探  教师活动：首先，请同学们将手掌平压在桌面上，向前推动。“仔细体会，你的手感觉到了什么？这个力的方向向哪？”引导学生描述“阻碍运动”的力。随后，进行演示：用弹簧测力计水平拉木块，但保持木块静止。“看，测力计有示数，说明存在拉力，但木块没动。是谁在‘暗中’平衡了这个拉力？”引出静摩擦力。接着，缓慢拉动木块使其匀速运动。“现在，这个阻碍相对运动的力就是滑动摩擦力。请大家根据这两个实验，给滑动摩擦力和静摩擦力下一个尽可能准确的定义，并思考：摩擦力的方向到底跟什么相反？”（不是“运动方向”，而是“相对运动（趋势）方向”）。  学生活动：亲身感受并描述摩擦力的存在。观察演示实验，思考并尝试用自己的语言归纳两种摩擦力的定义。通过对比“运动方向”和“相对运动方向”的差异（如：将木板从木块下抽出，木块相对木板向后运动，但相对地面可能静止或向前），小组讨论后，派代表阐述对摩擦力方向判断的理解。  即时评价标准：1.能否从实验现象中准确提炼出“阻碍相对运动（趋势）”这一核心特征。2.在讨论方向时，能否清晰区分“相对”的对象（相对于谁？）。3.小组讨论时，是否每位成员都参与了观点表达。  形成知识、思维、方法清单：★1.定义：滑动摩擦力是两个相互接触的物体，发生相对滑动时，在接触面上产生的阻碍相对运动的力；静摩擦力是有相对运动趋势但未发生相对滑动时产生的力。★2.方向判定铁律：摩擦力方向总是与接触面平行，并且与物体间的相对运动方向（滑动摩擦）或相对运动趋势方向（静摩擦）相反。▲3.“相对”是关键：判断前必须先明确参考系（通常是与之接触的另一个物体）。这是一个极易出错点，需要反复强调。  任务二：定性探究——影响滑动摩擦力大小的因素猜想与设计  教师活动：“明确了摩擦力的身份，接下来我们要给它‘测测体重’。根据你的生活经验，滑动摩擦力的大小可能跟哪些因素有关呢？”（鼓励学生大胆猜想：压力、接触面粗糙程度、接触面积、速度……）“大家的猜想都很丰富！但科学不能只靠感觉，我们需要用实验来检验。这么多因素，我们如何设计实验才能知道谁是‘真凶’，谁是‘路人甲’呢？”引导学生回顾“控制变量法”。“那么，针对‘接触面积’这个因素，我们如何设计一个简单而巧妙的实验来检验它？”（提示：使用同一个长方体木块，分别平放和侧放，保持压力和粗糙程度不变，来改变接触面积）。  学生活动：基于生活经验（推箱子、冰面行走打滑等）提出猜想。回顾控制变量法的思想，并以小组为单位，重点针对“接触面积是否影响摩擦力”设计一个简要的实验方案，并派代表分享。其他小组进行评议，完善方案。  即时评价标准：1.猜想是否有生活或经验依据。2.实验设计是否能清晰地体现出“控制变量”的思路。3.能否对同伴的设计方案提出建设性意见。  形成知识、思维、方法清单：★1.科学探究的核心方法——控制变量法：当多个因素可能影响某一结果时，每次只改变其中一个因素，控制其他因素不变，从而研究该因素单独的作用。★2.常见猜想因素：压力、接触面粗糙程度是核心因素；接触面积、速度等是常见干扰猜想。▲3.实验设计语言：要学会规范表述，例如：“为了探究滑动摩擦力与接触面积的关系，应控制压力和接触面粗糙程度相同，只改变接触面积的大小。”  任务三：定量测量——实验探究$f$与$N$、粗糙度的关系  教师活动：分发实验任务单，明确探究目标：定量研究滑动摩擦力$f$与压力$N$、接触面粗糙程度的关系。巡回指导关键操作：如何用弹簧测力计水平匀速直线拉动木块（强调“匀速”才能保证拉力等于摩擦力）；如何在木块上叠加钩码来改变压力$N$（$N$等于木块重力加钩码重力）；如何更换毛巾、玻璃板来改变粗糙程度。引导学生将数据记录在表格中，并以压力$N$为横坐标，摩擦力$f$为纵坐标，在同一坐标系中绘制不同粗糙面的$f$$N$图像。“大家看看，这些数据点大致分布在一条什么样的线上？这条线说明了什么关系？”  学生活动：以小组为单位，分工合作（操作员、记录员、汇报员等），严格按照实验步骤进行探究。记录多组数据，并在坐标纸上绘制图像。观察图像特征，发现无论接触面如何，$f$$N$图像都近似为一条过原点的倾斜直线。得出结论：滑动摩擦力大小与压力成正比，与接触面粗糙程度有关。  即时评价标准：1.实验操作是否规范，特别是“匀速拉动”的执行情况。2.数据记录是否真实、完整、单位清晰。3.绘制图像是否规范，能否从图像中正确归纳出物理规律。  形成知识、思维、方法清单：★1.滑动摩擦力公式：$f=μN$。其中，$f$为滑动摩擦力，单位牛顿(N)；$N$为压力（垂直接触面的弹力），单位牛顿(N)；$μ$为动摩擦因数，无单位。★2.公式理解：$μ$由接触面的材料和粗糙程度决定，是比例系数，反映了接触面的特性。$f$与$N$成正比，与接触面积、运动速度（低速情况下）无关。▲3.图像化思维：$f$$N$图像是一条过原点的直线，其斜率即为动摩擦因数$μ$。这是将物理规律数学化的典范。  任务四：拓展深化——静摩擦力与滚动摩擦的奥秘  教师活动：回到导入时静摩擦力的演示。用电子测力计缓慢增大对静止木块的拉力，数值持续变化直至木块突然滑动。“同学们注意看，在拉动之前，测力计的示数在变化，这说明静摩擦力大小也在变。但它有一个限度，这个限度就是最大静摩擦力。”引导学生理解静摩擦力是一个“被动”的力，大小在0与最大值之间，由物体所受其他外力共同决定。“那有没有比滑动更省力的摩擦方式呢？”展示用圆杆铅笔垫在木块下拉动。“看，变成了滚动！这就是滚动摩擦，它通常远小于滑动摩擦。大家想想，这原理被用在了哪些发明上？”（车轮、轴承）。  学生活动：观察静摩擦力变化的演示，理解其“被动适应性”和“存在最大值”的特点。动手尝试将滑动摩擦变为滚动摩擦，直观感受其大小的差异。列举生活中利用滚动摩擦减小阻力的实例，并尝试解释其原理。  即时评价标准：1.能否理解静摩擦力大小由外力平衡决定，是一个变化范围。2.能否通过实验比较，说出滚动摩擦比滑动摩擦小的结论。3.举例是否恰当，并能与核心知识关联。  形成知识、思维、方法清单：★1.静摩擦力的特点：大小在$0<f_{静}≤f_{max}$范围内变化，与使物体产生运动趋势的外力大小相等、方向相反。$f_{max}$略大于滑动摩擦力。★2.滚动摩擦：一个物体在另一个物体表面滚动时产生的摩擦。在相同压力下，滚动摩擦通常远小于滑动摩擦。▲3.应用辩证观：摩擦并非总是有害。行走、刹车、传动都离不开摩擦（有益摩擦）；而机器磨损、能耗增加则需要减小摩擦（有害摩擦）。我们的任务是“扬长避短”。  任务五：综合应用——斜面模型中的摩擦力分析  教师活动：呈现一个经典问题：一木块静止在粗糙斜面上，分析其受力。“重力、支持力…还有摩擦力吗？方向向哪？”引导学生按步骤分析：①确定研究对象（木块）；②分析运动状态（静止→平衡力）；③判断摩擦类型（静摩擦）；④判断相对趋势（若无摩擦，木块会沿斜面下滑→趋势沿斜面向下）；⑤确定摩擦力方向（沿斜面向上）。接着，若木块沿斜面匀速下滑，再分析。“此时摩擦是什么类型？压力$N$还等于重力吗？请画出受力分析图，并写出$f$与$N$的关系式。”  学生活动：跟随教师引导，逐步推理静止斜面上木块的受力。独立完成匀速下滑情景的受力分析图，并尝试推导：$N=mgcosθ$，$f=mgsinθ$，从而加深对“压力是垂直接触面的力”的理解。小组内互查作图与推导过程。  即时评价标准：1.受力分析步骤是否完整、规范。2.能否正确分解重力，并理解$N$与$mgcosθ$的等价关系。3.推导过程逻辑是否清晰，公式使用是否准确。  形成知识、思维、方法清单：★1.受力分析规范化流程：定对象→析状态→画已知力（重力、已知外力）→判弹力（支持力、拉力）→判摩擦力（先看状态定类型，再看趋势定方向）。★2.斜面模型中的压力：$N=mgcosθ$（$θ$为斜面倾角），绝不恒等于重力。这是应用$f=μN$时的关键。▲3.综合思维：将力的分解、二力平衡（或非平衡）、摩擦力公式融为一体，解决复杂情境问题。这是力学分析能力的综合体现。第三、当堂巩固训练  基础层（全体必做）：1.判断题：（1）摩擦力总是阻碍物体的运动。（）（2）静止的物体不可能受到滑动摩擦力。（）（3）滑动摩擦力的大小总与压力成正比。（）2.用20N的水平力推一个重50N的木箱在水平地面匀速前进，地面对木箱的滑动摩擦力是___N；若推力增大到30N，摩擦力将___（填“变大”、“变小”或“不变”）。  综合层（多数学生完成）：3.（情境题）如图所示，$A$、$B$两物体叠放在水平桌面上，在水平拉力$F$作用下一起向右匀速运动。请分别分析$A$、$B$所受摩擦力的情况（类型、方向、施力物体）。  挑战层（学有余力选做）：4.（探究设计题）如何设计一个实验，粗略测量自己鞋底与教室地面间的动摩擦因数$μ$？请写出实验原理、所需器材、简要步骤及$μ$的表达式。  反馈机制：基础题采用集体口答或举牌反馈，快速诊断概念清晰度。综合题请学生上台展示受力分析图并讲解，教师针对共性问题（如$A$、$B$间摩擦力的判断）精讲。挑战题作为课后思考延伸，下节课前请有想法的同学分享方案，师生共同评议其科学性与可行性。第四、课堂小结  “侦探们，今天的探案接近尾声。谁能用一张图或几句话，为我们梳理一下今天揭开的关于摩擦力的所有‘秘密’？”邀请学生自主构建知识框架（可用思维导图形式）。教师最后用板书呈现结构化总结：一、定义与产生条件（接触、挤压、有相对运动或趋势）；二、方向（与相对运动/趋势方向相反）；三、大小（滑动：$f=μN$；静：$0<f_{静}≤f_{max}$）；四、种类（静、滑动、滚动）；五、应用（辩证看待，趋利避害）。“回顾一下，今天我们用了哪些‘破案方法’？”（科学探究、控制变量、数学建模、受力分析）。作业布置：必做：1.整理本节课完整笔记和错题。2.完成练习册本节基础题及综合应用题第13题。选做：1.设计并实施“测量鞋底动摩擦因数”的家庭小实验，撰写简短报告。2.查阅资料，了解气垫导轨或磁悬浮列车是如何实现“近乎零摩擦”的，并思考其原理与优劣。六、作业设计  基础性作业：1.背诵并默写滑动摩擦力公式$f=μN$，说明每个字母的物理意义及单位。2.画出教材中三种典型情境（水平面拉动、静止在斜面上、在斜面上匀速下滑）下物体的受力分析图，并标注摩擦力。3.列举生活中5个增大摩擦和5个减小摩擦的实例，并简述其方法原理。  拓展性作业：4.（项目式任务）假设你是自行车设计师，请写一段说明文字，向消费者解释：在你的设计中，哪些部位需要增大摩擦，哪些部位需要减小摩擦，分别采用了什么技术或材料来实现，并说明其物理原理。（要求：图文结合，至少分析三个部位）  探究性/创造性作业：5.设计一个探究实验，研究“滑动摩擦力的大小是否与物体运动速度有关”。要求：写出完整的探究报告，包括提出问题、猜想与假设、设计实验（突出变量控制）、预测可能的结果并分析。有条件者可在家庭或实验室安全环境下尝试实施。七、本节知识清单及拓展  ★1.摩擦力定义：两个相互接触的物体，当它们发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触面上产生的阻碍这种相对运动或趋势的力。  ★2.产生条件三要素：接触面粗糙、相互接触且挤压（即有弹力）、有相对运动或趋势。三者必须同时具备。  ★3.滑动摩擦力方向：与接触面相切，与物体间相对运动的方向相反。切记是“相对”于与之接触的物体，而非相对于地面。  ★4.静摩擦力方向：与接触面相切，与物体间相对运动趋势的方向相反。判断趋势是难点，常用“假设光滑法”：假设接触面光滑，看物体会如何相对运动，该方向即趋势方向。  ★5.滑动摩擦力大小公式：$f=μN$。$f$：滑动摩擦力（N）；$N$：压力（垂直接触面的弹力，N）；$μ$：动摩擦因数（无单位，由接触面材料与粗糙度决定）。  ★6.对公式$f=μN$的深度理解：（1）$μ$是比值，是接触面的属性，通常$μ<1$。（2）$N$是压力，不一定等于重力，需根据受力分析求解。（3）公式表明$f$与$N$成正比，与接触面积、运动速度（低速时）无关。  ★7.静摩擦力大小特点：是一个范围值$0<f_{静}≤f_{max}$。大小由物体的受力情况和运动状态决定，通过平衡方程（或牛顿第二定律）求解。最大静摩擦力$f_{max}$略大于滑动摩擦力，通常可近似认为相等。  ★8.最大静摩擦力：使物体刚好由静止开始运动所需的最小外力。$f_{max}=μ_{静}N$，其中$μ_{静}$为静摩擦因数。  ▲9.滚动摩擦：一个物体在另一个物体表面上滚动时产生的摩擦。在相同条件下，滚动摩擦远小于滑动摩擦。这是车轮、轴承等发明的物理基础。  ▲10.摩擦的利与弊：有益摩擦（如走路、刹车、传动）需要增大，方法：增大压力、增大接触面粗糙程度。有害摩擦（如机器磨损、能耗）需要减小，方法：减小压力、使接触面变光滑、用滚动代替滑动、加润滑剂、使接触面分离（气垫、磁悬浮）。  ▲11.探究实验的核心方法：控制变量法。探究$f$与$N$关系时，控制粗糙程度不变；探究$f$与粗糙程度关系时，控制$N$不变。  ▲12.实验测量关键：用弹簧测力计水平匀速直线拉动木块，根据二力平衡，此时拉力大小才等于滑动摩擦力大小。“匀速”是测量准确的保证。  ★13.受力分析中摩擦力的分析步骤：明确研究对象→判断运动状态（平衡/非平衡）→判断摩擦类型（静/滑动）→判断相对运动（趋势）方向→确定摩擦力方向→根据平衡条件或运动定律计算大小。  ▲14.易错点警示：（1）误认为摩擦力总是阻力，它也可以是动力（如传送带上的物体）。（2）误认为静止物体不受摩擦力（可能有静摩擦）。（3）误认为压力一定等于重力。（4）误用公式$f=μN$计算静摩擦力。八、教学反思  本教学设计力图在竞赛培优的语境下，实现知识深度、思维力度与素养高度的统一。回顾预设流程，其有效性主要体现在：一、结构性模型的扎实落地。从导入的认知冲突到新授的五个阶梯任务，再到巩固的分层反馈与小结的结构化梳理，完整遵循了“前测参与后测”的认知逻辑，确保了学习过程的完整性与进阶性。二、差异化内核的初步体现。在学情分析基础上，任务设计兼顾了基础巩固（如定义方向）与深度探究（如斜面模型），练习设置了明确分层，并为快生准备了拓展材料（微观机理），在理论上照顾了多样性需求。三、核心素养的统领贯穿。将“科学探究”素养具化为完整的实验流程设计；将“科学思维”转化为模型建构与受力分析的规范