初中物理九年级《摩擦力》探究教案：摩擦力与正压力的定量关系探究

初中物理九年级《摩擦力》探究教案：摩擦力与正压力的定量关系探究

一、课程设计理念与依据

（一）设计理念

本教学设计立足于当前科学教育的前沿理念，以发展学生核心素养为根本宗旨，超越对物理概念与规律的简单识记与套用。我们秉持以下核心设计理念：

1.证据导向的科学探究：将课堂重构为一个小型的科学共同体，引导学生像科学家一样工作——从真实情境中提出问题，基于已有经验作出假设，设计并实施实验以收集证据，通过分析证据验证或修正假设，最终建构科学解释并交流反思。强调“证据”在科学认识中的决定性作用。

2.跨学科实践与工程思维整合：突破传统物理实验的局限，将科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）有机融合。本节课不仅探究科学规律（摩擦力与正压力的关系），更涉及测量技术的选择与使用（传感器技术）、实验装置的设计与优化（简易工程实践）、数据的建模与分析（数学工具应用），培养学生解决复杂问题的综合能力。

3.深度概念理解与迷思概念转变：“摩擦力大小与重力有关”是学生中普遍存在的经典迷思概念。本设计不回避这一认知冲突，而是将其作为课堂探究的逻辑起点和认知跃迁的契机。通过精心设计的对比实验和关键性讨论，引导学生主动辨析“重力”与“压力”（正压力）的差异，理解“直接相关因素”与“间接相关因素”的科学逻辑，实现从生活经验到科学本质的概念转变。

4.技术赋能的高阶思维培养：引入数字化实验系统（如力传感器、数据采集器），将摩擦力的动态变化过程可视化、数据化。这不仅提高了测量的精度和效率，更重要的是，它将学生的注意力从繁琐的手工读数转移到实验设计、过程控制、数据分析和模型拟合等高阶思维活动上，为学生打开了探索更复杂物理世界的一扇窗。

（二）课标与学情分析

1.课程标准依据：本设计严格遵循《义务教育物理课程标准（2022年版）》对“运动和相互作用”主题中“摩擦力”部分的要求。具体落实了“通过实验，认识摩擦力”、“探究滑动摩擦力大小与哪些因素有关”等内容标准。同时，深度契合了“科学探究”和“科学态度与责任”的素养目标，强调探究的过程性、真实性和思维性。

2.学情分析：授课对象为九年级学生。他们已具备力的概念、二力平衡、重力、弹力等基础知识，能够使用弹簧测力计进行基本测量。思维上处于从具体运算向形式运算过渡的阶段，具备一定的逻辑推理和归纳能力，但抽象建模和数据深度分析能力尚在发展之中。前概念方面，学生通过生活经验（如推箱子越重越费力）直观认为“摩擦力与重力有关”，但对“压力”这一概念的独立性与广义性（压力不一定等于重力）缺乏清晰认识，更未建立摩擦力与压力间的定量模型。这些既是教学难点，也是驱动探究的最佳切入点。

二、教学目标

基于以上分析，确立以下三维教学目标：

1.物理观念

1.2.通过实验探究，建构滑动摩擦力大小与接触面所受正压力成正比的定量关系，理解动摩擦因数的物理意义。

2.3.能够准确区分“重力”与“压力”，并阐明在水平面情况下压力等于重力，但在斜面等非水平面情况下压力不等于重力，从而厘清摩擦力与重力关系的条件性。

4.科学思维

1.5.经历完整的科学探究过程：提出可探究的科学问题→进行有依据的猜想与假设→设计验证性实验方案→获取并处理证据→基于证据形成结论→解释与交流。

2.6.发展基于证据进行推理和论证的能力，能够分析数据，发现规律，尝试用数学图像（如f-N图像）描述物理规律。

3.7.培养批判性思维，能够对“摩擦力与重力有关”这一前概念进行辨析、检验和修正。

8.科学探究

1.9.能够独立或合作设计出验证摩擦力与压力、接触面粗糙程度关系的对比实验方案。

2.10.熟练使用弹簧测力计或数字化实验系统进行多次测量，并能评估和改进测量方法以减少误差。

3.11.能够规范记录实验数据，并运用表格、图像等方式进行整理和呈现。

12.科学态度与责任

1.13.保持对自然现象的好奇心和探究热情，乐于参与观察、实验、制作、调查等科学实践活动。

2.14.在探究中养成实事求是、严谨细致的科学态度，尊重实验证据，敢于提出不同见解，乐于合作与分享。

3.15.了解摩擦力知识在工程技术（如刹车系统、轮胎设计）和日常生活（防滑）中的应用，体会科学对技术和社会的推动作用。

三、教学重点与难点

1.教学重点：探究滑动摩擦力大小与正压力的定量关系；引导学生设计并完成控制变量的对比实验。

2.教学难点：引导学生实现从“摩擦力与重力有关”到“摩擦力与正压力有关”的概念转变；理解并处理非水平面情况下压力与重力的区别；利用数字化实验进行数据建模与分析。

四、教学准备

1.分组实验器材（每4-6人一组）：

1.2.传统方案：长木板、表面粗糙程度不同的摩擦面（如木板面、铺毛巾面、砂纸面）、木块（可叠加以改变压力）、弹簧测力计、钩码（用于施加竖直向下拉力以模拟压力不等于重力的情境）、斜面装置。

2.3.数字化创新方案：力传感器（两个，一个测量水平拉力，一个测量对接触面的正压力）、数据采集器与接口、计算机及数据分析软件、可调节倾角的斜面平台、不同材质的摩擦滑块、砝码。

4.演示教具：多媒体课件（包含生活实例视频、动画模拟）、磁吸式滑块与面板（用于动态展示力的分解）。

5.学习材料：学生探究任务单、数据记录表格、坐标纸。

五、教学过程实施（核心环节，详细展开）

第一课时：创设情境，提出问题，设计探究方案

环节一：情境激疑，聚焦核心问题(预计时间：15分钟)

1.现象观察与经验唤醒：

1.2.播放三段微视频：①冰壶在冰面上滑行很远；②汽车在雪地打滑，装上防滑链后恢复正常；③大力士挑战拉动不同重量的汽车。

2.3.提问：“这些现象都与什么力有关？摩擦力的大小可能受哪些因素影响？”学生基于生活经验，通常能说出“接触面的光滑程度”、“物体的轻重”（即重力）。

4.制造认知冲突，提炼科学问题：

1.5.演示实验1：将一本厚重的书放在水平桌面上，用弹簧测力计匀速拉动，记录示数。

2.6.演示实验2：将同一本书竖直贴在黑板上（用双面胶轻微固定上边缘，使其不脱落但可滑动），用弹簧测力计匀速向上拉动，记录示数。

3.7.关键提问：“两次拉动中，书的重力变了吗？（没变）书与接触面间的摩擦力大小相同吗？（明显不同，竖直拉动时更大）这个现象是否动摇了‘摩擦力大小由重力决定’的想法？”

4.8.引导学生精确表述：在水平面上拉动物体时，我们对“轻重”的感受，实质是对“物体对桌面压得紧不紧”的感受。物理学中，将“垂直作用于接触面的力”称为正压力（或支持力）。在水平面上，正压力大小恰好等于物体重力；但在竖直面上，正压力（手或胶带的支撑力）与重力方向垂直，完全无关。

5.9.从而，优化并锁定本课的核心探究问题：“滑动摩擦力的大小，究竟是与正压力有关，还是与重力有关？它们之间存在怎样的定量关系？”

环节二：猜想假设与方案设计(预计时间：25分钟)

1.提出猜想：学生分组讨论，对核心问题提出猜想。教师引导将猜想系统化，可能包括：①只与正压力有关；②只与重力有关；③与两者都有关；④还与接触面粗糙程度有关。教师板书所有合理猜想。

2.渗透变量控制思想：

1.3.提问：“如何设计实验来分别检验‘摩擦力与正压力’及‘摩擦力与重力’的关系？关键是要控制什么？”

2.4.通过讨论，明确“控制变量法”是解决此类问题的钥匙。要研究摩擦力与正压力的关系，需保持接触面粗糙程度和物体的重力不变，只改变正压力。但要改变正压力而不改变重力，这本身就是一个挑战，这恰恰是打破迷思概念的关键。

5.分组设计实验方案：

1.6.发放任务单，要求各组围绕以下两个子任务设计具体步骤：

1.2.7.任务A（水平面情境）：在水平木板上，探究摩擦力f

与正压力N

的关系。如何改变正压力？（学生常想到叠加木块或加砝码，此时N=G总

，f

的变化无法区分是源于N

还是G

的变化，此为思维节点。）

2.3.8.任务B（非水平面情境）：设计一个场景，让物体的重力G

不变，但正压力N

发生变化。如何实现？（教师可提示斜面的使用，或回忆演示实验2的竖直面情况。）

4.9.引入数字化实验设计：向部分小组或全体介绍数字化方案。展示力传感器，说明其可直接、实时测量拉力和压力。提出更富挑战性的设计问题：“能否利用两个传感器，设计一个实验，在一次操作中同时记录下摩擦力f

和正压力N

的连续变化数据，从而直接找出它们的关系？”

10.方案交流与优化：

1.11.各组汇报初步方案，全班评议。教师引导学生发现方案A的局限性（N

与G

耦合），并重点讨论方案B的创新性。

2.12.最佳传统方案呈现：

1.3.13.对于任务A：承认在水平面上N=G

，通过改变木块和砝码总重来同时改变N

和G

，测量对应的f

。虽然N

和G

同步变化，但我们可以先寻找f

与N

（=G

）的关系，待得出结论后，再用任务B来检验该关系是否在N≠G

时依然成立。

2.4.14.对于任务B：方案一：将木块放在倾角可调的斜面上，匀速沿斜面向上拉动木块。此时木块重力G

不变，但斜面提供的支持力（即正压力N

）N=Gcosθ

随倾角θ增大而减小，同时需克服的滑动摩擦力f

也可测出。方案二：在竖直平面上，通过改变对木块的“压紧力”来改变N

（如用可调节的夹子或通过传感器施加可调的水平压力），同时测量匀速拉动木块所需的力f

。

5.15.数字化实验方案：将力传感器A与木块连接，水平匀速拉动，测f

。将力传感器B垫在木块与接触面之间，直接测量N

。通过改变施加在木块上的垂直载荷（或在斜面上改变角度），可采集一系列(N,f)

数据对，由软件实时绘制f-N

散点图。

（课后任务：完善方案，准备下一课时实验器材）

第二课时：实验探究，数据分析，建构模型

环节三：分组实验与数据收集(预计时间：30分钟)

1.实验操作指导与安全规范：

1.2.重申匀速拉动的技巧（目测速度均匀，或借助低速电动牵引装置），以及读数时机（稳定时读数）。

2.3.数字化实验小组培训软件使用方法，特别是如何设置采集参数、开始/停止记录、选取有效数据段。

3.4.强调合作分工：操作员、记录员、观察员、汇报员。

5.分组实施探究：

1.6.各小组根据选择的方案（传统水平面方案、传统斜面方案、数字化方案）进行实验。

2.7.教师巡视指导，聚焦关键点：

1.3.8.在水平面实验组，询问：“你现在测量的这个摩擦力，对应的正压力是多少？它等于什么？”

2.4.9.在斜面实验组，重点指导倾角的测量与改变，以及如何确保匀速拉动。引导学生思考：“随着斜面倾角增大，摩擦力是增大还是减小？正压力呢？重力变不变？”

3.5.10.在数字化实验组，协助学生优化实验设置，观察实时图表，引导他们思考数据点的分布趋势。

6.11.所有小组需在不同条件（至少5组数据）下进行测量，并将数据规范记录在表格中。

环节四：数据处理、分析与结论得出(预计时间：25分钟)

1.传统数据组的处理：

1.2.各小组在坐标纸上，以正压力N

为横坐标，滑动摩擦力f

为纵坐标，描点作图。

2.3.关键问题引导：“这些点大致分布在一条怎样的线附近？你能画出这条线吗？”引导学生发现数据点近似呈直线分布，且直线大致过原点。

3.4.邀请学生上台绘制他们认为最合理的直线（拟合直线）。

4.5.数学建模：这条直线的方程可以表示为f=μN

。其中，比例系数μ

即为动摩擦因数。引导学生计算各组数据的μ

值（μ=f/N

），并观察同一接触面下μ

值是否大致相同，不同接触面下μ

值是否不同。从而得出结论一：在接触面粗糙程度一定时，滑动摩擦力f

与正压力N

成正比。

6.数字化数据组的展示与深化：

1.7.请数字化实验组展示他们实时得到的f-N

散点图，并利用软件的线性拟合功能，直接得到拟合直线和方程f=μN

，以及相关系数（如R²值），从数学上证明相关的密切程度。

2.8.对比传统手绘图像与软件拟合图像，讨论数字化工具在精确性和效率上的优势。

9.核心辨论与概念转变：

1.10.提问：“根据我们得到的规律f=μN

，滑动摩擦力的大小直接由谁决定？”（正压力N

和动摩擦因数μ

）

2.11.追问：“那么，重力G

扮演了什么角色？在什么情况下，重力会影响摩擦力？”组织小组辩论。

3.12.形成共识：重力是引力的具体表现，它可以成为正压力的来源（如在水平面上），但并非总是正压力（如在斜面上、竖直面上）。摩擦力与重力没有直接、必然的关系，它只与直接作用在接触面上的正压力以及接触面的性质（μ

）有直接关系。重力有时通过影响正压力而间接影响摩擦力，这只是一种特定情境下的关联，而非物理本质。至此，成功实现迷思概念的转变。

13.规律总结与表述：

1.14.学生用自己的语言完整表述滑动摩擦力的大小决定式：滑动摩擦力的大小与接触面所受的正压力成正比，与接触面的粗糙程度有关（由动摩擦因数μ

表征），与接触面积、运动速度（低速情况下）无关。公式：f=μN

。

（课后任务：完成探究报告，并寻找生活中应用或改变摩擦力的三个实例，并运用所学知识进行解释。）

第三课时：迁移应用，拓展深化，评价反思

环节五：知识迁移与工程应用(预计时间：20分钟)

1.生活与科技中的摩擦力：

1.2.学生分享课后找到的实例，并用f=μN

进行分析。如：刹车时用力捏闸（增大N

以增大f

）；轮胎花纹（改变μ

）；冰壶运动员擦冰（改变μ

以控制滑行距离）。

2.3.探讨更复杂的工程问题：为什么重型卡车有更多车轮？（在总重一定时，增加车轮数可增大接触面积，但根据规律，f

与面积无关，此举的主要目的是减小每个轮胎对地面的压强P=N/S

，防止压坏路面，同时提供更多制动摩擦点，但总的最大静摩擦力并未因面积增加而直接增加。此讨论能深化对规律适用条件和工程综合思维的理解。）

4.静摩擦力与最大静摩擦力的初步探讨（作为拓展）：

1.5.演示：用传感器缓慢拉动静止的木块，观察拉力从0开始增大直至木块滑动过程中力的变化曲线。

2.6.引导学生观察：在滑动之前，静摩擦力f_s

始终等于拉力，且有一个最大值f_smax

。f_smax

一般略大于滑动摩擦力f

。指出f_smax

也与N

成正比，即f_smax=μ_sN

，其中μ_s

为静摩擦因数。

3.7.解释拔河、走路等静摩擦力应用实例。

环节六：学习评价与反思(预计时间：20分钟)

1.多维评价：

1.2.概念理解检测：出示判断题和情境分析题。例如：“①摩擦力总是阻碍物体运动。（错误，阻碍相对运动）②在斜面上匀速下滑的物体，所受滑动摩擦力随斜面倾角增大而减小。（正确，因N=Gcosθ

减小）③增大接触面积一定能增大摩擦力。（错误）”

2.3.探究能力评价：通过小组的探究报告、课堂发言、设计方案的新颖性等方面进行过程性评价。重点评价变量控制意识、数据处理的严谨性、结论得出的逻辑性。

3.4.科学态度评价：观察学生在实验中的合作情况、对待异常数据的态度、在辩论中尊重证据的表现。

5.总结反思与展望：

1.6.引导学生以思维导图形式总结本单元的核心知识脉络：摩擦力的分类（静摩擦、滑动摩擦）→滑动摩擦力的影响因素（N

,μ

）→定量规律（f=μN

）→概念辨析（N

vsG

）→应用。

2.7.布置开放性长周期作业（可选）：“设计并制作一个模型，展示如何利用或克服摩擦力完成一项特