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2017-07-21 10:55趙立彬??
中學(xué)課程輔導(dǎo)·教師教育（上、下） 2017年13期
趙立彬??
摘要：在物理教學(xué)中，八年級(jí)物理下冊(cè)已經(jīng)將我們帶入了斜面的情境，在這樣的情境下，我們?cè)撊绾嗡伎紗?wèn)題呢？首先學(xué)生要搞清楚斜面與水平面之間的物理量變化情況，其次是弄清各物理之間的內(nèi)在聯(lián)系；換言之，就是讓學(xué)生理解斜面情境下的“物”與“理”。本文探討了與斜面有關(guān)的初中物理力學(xué)問(wèn)題及其相關(guān)的物理規(guī)律。
關(guān)鍵詞：物理教學(xué)；斜面；力學(xué)問(wèn)題；物理規(guī)律
中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1992-7711（2017）13-017-1
一、斜面上物體的受力探究
教材在“活動(dòng)84：判斷重力的方向”告訴我們：物體重力的方向是豎直向下的，與斜面的傾斜角無(wú)關(guān)；而在“活動(dòng)91：觀察與作圖”中告訴我們：壓力垂直作用于帆布（相當(dāng)與斜面）表面，其方向與斜面的傾斜角有關(guān)。所以，這兩個(gè)力的方向是不同的。
什么原因呢？這兩個(gè)力產(chǎn)生的原因是不同的。重力是由于物體受到地球的吸引而產(chǎn)生的，所以，重力的方向（重力只是萬(wàn)有引力的一個(gè)分力?。┐笾轮赶虻匦?，即豎直向下，因此與斜面的傾斜程度無(wú)關(guān)；而壓力是由于兩個(gè)物體相互接觸并擠壓而產(chǎn)生的彈力，因此彈力的方向與接觸面的方向有關(guān)。斜面上的物體由于受到重力作用，具有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，而斜面阻礙了物體在豎直方向上下落，因此物體就會(huì)對(duì)斜面有彈力的作用，此力垂直作用于斜面向下，即物體對(duì)斜面的壓力，所以，兩個(gè)力方向不同；同時(shí)，兩個(gè)力作用點(diǎn)和大小也不同，由兩個(gè)力產(chǎn)生的原因可知：重力的作用點(diǎn)是在該物體的重心上，壓力的作用點(diǎn)則是在斜面上；重力的大小與物體的質(zhì)量成正比，而此時(shí)壓力源于重力，它是重力在垂直作用在斜面方向上的一個(gè)分力的作用效果，壓力的大小（F=mgcosθ）隨斜面傾斜角的增大而減小，且壓力小于重力，而只有在水平面上時(shí)，壓力的大小才等于重力的大小。
靜止在斜面上的物體還會(huì)受到斜面對(duì)物體的支持力，它與物體對(duì)斜面的壓力是一對(duì)相互作用力，因此分別作用在斜面和物體上的這兩個(gè)力的大小相等，方向相反，作用在同一條直線上；由于靜止在斜面上的物體有向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，且斜面并不光滑，物體還會(huì)受到斜面阻礙物體向下滑動(dòng)的摩擦力（f=μmgcosθ），它的大小與物體的重力，斜面的傾斜角度和斜面的粗糙程度有關(guān)。物體受到的支持力與物體運(yùn)動(dòng)方向始終垂直，因此支持力不做功；而摩擦力與運(yùn)動(dòng)方向相同或相反，因此物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)有機(jī)械能和內(nèi)能的變化，這樣就便于教材設(shè)置相關(guān)的物理情景實(shí)驗(yàn)。
二、斜面上物體的“力與運(yùn)動(dòng)”
教材在“活動(dòng)105探究阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”和“活動(dòng)121探究動(dòng)能大小與哪些因素有關(guān)”中都要求控制和改變小車進(jìn)入水平面時(shí)的速度，那么斜面是如何能改變小車速度呢？
首先要知道靜止在斜面上的小車為什么會(huì)下落，這是因?yàn)樾≤囀艿街亓?，支持力和摩擦力，由于這三個(gè)力并不平衡，即小車受到非平衡力的作用，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將會(huì)改變。由于斜面阻礙了小車豎直下落，使得小車只能沿斜面下落。當(dāng)斜面的傾斜角和小車相對(duì)于斜面的粗糙程度不變時(shí)，小車的加速度a=（gsinθ-μgcosθ）也隨之確定不變，它與小車的質(zhì)量無(wú)關(guān)。當(dāng)小車從某一高度靜止下落（初速度為0），由于小車的加速度不變，所以小車進(jìn)入水平面時(shí)的速度v=2as（s為物體沿斜面下落的長(zhǎng)度），可知，此時(shí)小車進(jìn)入水平面時(shí)的速度就與物體沿斜面下落的長(zhǎng)度和小車的加速度有關(guān)，與小車的質(zhì)量無(wú)關(guān)。因此，我們讓“質(zhì)量不同的小車從同一斜面的同一高度靜止釋放”就很好的解決了“小車進(jìn)入水平面時(shí)的速度相等”這個(gè)問(wèn)題，如果想要改變進(jìn)入水平面時(shí)的速度大小，那么我們只需要改變小車釋放時(shí)的高度（或釋放時(shí)小車沿斜面下落的長(zhǎng)度）。
三、斜面上物體的能量轉(zhuǎn)化
教材在“活動(dòng)115探究斜面（如右圖）”中得出結(jié)論：使用斜面不能省功，但可以省力。同時(shí)說(shuō)明沒(méi)有既省力又省距離的機(jī)械，這是為什么呢？現(xiàn)在我們從能量轉(zhuǎn)化角度去分析。
將小車沿斜面拉上一定高度的過(guò)程中，小車受到四個(gè)力的作用，其中小車受到的支持力與小車運(yùn)動(dòng)的方向時(shí)刻垂直，所以小車受到的支持力并不做功。小車所受拉力做的功將外界能量轉(zhuǎn)化為小車的機(jī)械能，同時(shí)小車在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，受到摩擦力的作用，克服摩擦阻力做功，就有部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，由功能關(guān)系可知：FS=GH+fS，由此可得FS>GH，就是說(shuō)使用斜面不能省功；如果不考慮小車受到的摩擦力的影響，則FS=GH，對(duì)于斜面而言，S>H即有F教材在“活動(dòng)122小明腳踩滑板從高處滑下”，其實(shí)就是在說(shuō)明物體的重力做功時(shí)，物體的高度逐漸下降，物體的速度逐漸加快，與物體高度有關(guān)的能量（重力勢(shì)能）減小，與物體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的能量（動(dòng)能）增大，即重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。小明下降的高度越大，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能也越大，小明到達(dá)斜坡低端時(shí)的速度就越大。相反，如果小明以一定的速度滑上斜坡時(shí)，他上升的高度與其速度有關(guān)，滑上斜坡前的速度越大，小明上升的高度也越大，這時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能，能量被儲(chǔ)存起來(lái)了。這就很好的解釋了教材121的課后一道習(xí)題：上海明珠線車站的設(shè)計(jì)方案，與站臺(tái)連接的軌道有一定坡度，請(qǐng)從節(jié)能的角度，分析這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。
綜上所述，物理知識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，特別是來(lái)源于觀察和實(shí)驗(yàn)。因此要認(rèn)真觀察物理現(xiàn)象，分析物理現(xiàn)象產(chǎn)生的條件和原因。要認(rèn)真做好學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)會(huì)使用儀器和處理數(shù)據(jù)，了解用實(shí)驗(yàn)研究問(wèn)題的基本方法。要通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)，有意識(shí)地提高自己的觀察能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，也就是說(shuō)真正意義上弄清“物”與“理”，只有這樣才能做好初高中物理的銜接和轉(zhuǎn)變工作。希望本文能夠?yàn)槌醺咧秀暯悠鸬綊伌u引玉的作用。
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什么原因呢？這兩個(gè)力產(chǎn)生的原因是不同的。重力是由于物體受到地球的吸引而產(chǎn)生的，所以，重力的方向（重力只是萬(wàn)有引力的一個(gè)分力?。┐笾轮赶虻匦?，即豎直向下，因此與斜面的傾斜程度無(wú)關(guān)；而壓力是由于兩個(gè)物體相互接觸并擠壓而產(chǎn)生的彈力，因此彈力的方向與接觸面的方向有關(guān)。斜面上的物體由于受到重力作用，具有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，而斜面阻礙了物體在豎直方向上下落，因此物體就會(huì)對(duì)斜面有彈力的作用，此力垂直作用于斜面向下，即物體對(duì)斜面的壓力，所以，兩個(gè)力方向不同；同時(shí)，兩個(gè)力作用點(diǎn)和大小也不同，由兩個(gè)力產(chǎn)生的原因可知：重力的作用點(diǎn)是在該物體的重心上，壓力的作用點(diǎn)則是在斜面上；重力的大小與物體的質(zhì)量成正比，而此時(shí)壓力源于重力，它是重力在垂直作用在斜面方向上的一個(gè)分力的作用效果，壓力的大小（F=mgcosθ）隨斜面傾斜角的增大而減小，且壓力小于重力，而只有在水平面上時(shí)，壓力的大小才等于重力的大小。
靜止在斜面上的物體還會(huì)受到斜面對(duì)物體的支持力，它與物體對(duì)斜面的壓力是一對(duì)相互作用力，因此分別作用在斜面和物體上的這兩個(gè)力的大小相等，方向相反，作用在同一條直線上；由于靜止在斜面上的物體有向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，且斜面并不光滑，物體還會(huì)受到斜面阻礙物體向下滑動(dòng)的摩擦力（f=μmgcosθ），它的大小與物體的重力，斜面的傾斜角度和斜面的粗糙程度有關(guān)。物體受到的支持力與物體運(yùn)動(dòng)方向始終垂直，因此支持力不做功；而摩擦力與運(yùn)動(dòng)方向相同或相反，因此物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)有機(jī)械能和內(nèi)能的變化，這樣就便于教材設(shè)置相關(guān)的物理情景實(shí)驗(yàn)。
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首先要知道靜止在斜面上的小車為什么會(huì)下落，這是因?yàn)樾≤囀艿街亓?，支持力和摩擦力，由于這三個(gè)力并不平衡，即小車受到非平衡力的作用，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將會(huì)改變。由于斜面阻礙了小車豎直下落，使得小車只能沿斜面下落。當(dāng)斜面的傾斜角和小車相對(duì)于斜面的粗糙程度不變時(shí)，小車的加速度a=（gsinθ-μgcosθ）也隨之確定不變，它與小車的質(zhì)量無(wú)關(guān)。當(dāng)小車從某一高度靜止下落（初速度為0），由于小車的加速度不變，所以小車進(jìn)入水平面時(shí)的速度v=2as（s為物體沿斜面下落的長(zhǎng)度），可知，此時(shí)小車進(jìn)入水平面時(shí)的速度就與物體沿斜面下落的長(zhǎng)度和小車的加速度有關(guān)，與小車的質(zhì)量無(wú)關(guān)。因此，我們讓“質(zhì)量不同的小車從同一斜面的同一高度靜止釋放”就很好的解決了“小車進(jìn)入水平面時(shí)的速度相等”這個(gè)問(wèn)題，如果想要改變進(jìn)入水平面時(shí)的速度大小，那么我們只需要改變小車釋放時(shí)的高度（或釋放時(shí)小車沿斜面下落的長(zhǎng)度）。
三、斜面上物體的能量轉(zhuǎn)化
教材在“活動(dòng)115探究斜面（如右圖）”中得出結(jié)論：使用斜面不能省功，但可以省力。同時(shí)說(shuō)明沒(méi)有既省力又省距離的機(jī)械，這是為什么呢？現(xiàn)在我們從能量轉(zhuǎn)化角度去分析。
將小車沿斜面拉上一定高度的過(guò)程中，小車受到四個(gè)力的作用，其中小車受到的支持力與小車運(yùn)動(dòng)的方向時(shí)刻垂直，所以小車受到的支持力并不做功。小車所受拉力做的功將外界能量轉(zhuǎn)化為小車的機(jī)械能，同時(shí)小車在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，受到摩擦力的作用，克服摩擦阻力做功，就有部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，由功能關(guān)系可知：FS=GH+fS，由此可得FS>GH，就是說(shuō)使用斜面不能省功；如果不考慮小車受到的摩擦力的影響，則FS=GH，對(duì)于斜面而言，S>H即有F 教材在“活動(dòng)122小明腳踩滑板從高處滑下”，其實(shí)就是在說(shuō)明物體的重力做功時(shí)，物體的高度逐漸下降，物體的速度逐漸加快，與物體高度有關(guān)的能量（重力勢(shì)能）減小，與物體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的能量（動(dòng)能）增大，即重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。小明下降的高度越大，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能也越大，小明到達(dá)斜坡低端時(shí)的速度就越大。相反，如果小明以一定的速度滑上斜坡時(shí)，他上升的高度與其速度有關(guān)，滑上斜坡前的速度越大，小明上升的高度也越大，這時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能，能量被儲(chǔ)存起來(lái)了。這就很好的解釋了教材121的課后一道習(xí)題：上海明珠線車站的設(shè)計(jì)方案，與站臺(tái)連接的軌道有一定坡度，請(qǐng)從節(jié)能的角度，分析這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。 綜上所述，物理知識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，特別是來(lái)源于觀察和實(shí)驗(yàn)。因此要認(rèn)真觀察物理現(xiàn)象，分析物理現(xiàn)象產(chǎn)生的條件和原因。要認(rèn)真做好學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)會(huì)使用儀器和處理數(shù)據(jù)，了解用實(shí)驗(yàn)研究問(wèn)題的基本方法。要通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)，有意識(shí)地提高自己的觀察能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，也就是說(shuō)真正意義上弄清“物”與“理”，只有這樣才能做好初高中物理的銜接和轉(zhuǎn)變工作。希望本文能夠?yàn)槌醺咧秀暯悠鸬綊伌u引玉的作用。
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