“力的合成”的教學(xué)設(shè)計(jì)

摘要：本文詳細(xì)闡述了“力的合成”的教學(xué)流程設(shè)計(jì)，意在以此為例與同行共同探討如何在課堂教學(xué)中實(shí)現(xiàn)新課程的三維教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：司南版；力的合成；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-6148(2008)03(S)-0011-3

1 教學(xué)內(nèi)容

《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)物理教科書(shū)·物理必修1》 （司南版）第五章第一節(jié)“力的合成”。

2 教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo) （1）能用等效性理解力的合成與合力的概念。

（2）會(huì)計(jì)算同一直線上力的合成。

（3）掌握力的平行四邊形法則，能用作圖法求解合力，知道它是矢量運(yùn)算的法則。

（4）能正確使用彈簧秤，掌握記錄矢量的方法。

過(guò)程與方法 能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)合力與分力的三要素進(jìn)行記錄，能應(yīng)用力的圖示發(fā)現(xiàn)合力與分力的關(guān)系，并從這一探究過(guò)程體會(huì)科研的方法。

情感態(tài)度與價(jià)值觀 領(lǐng)略自然規(guī)律的美，培養(yǎng)探究自然規(guī)律的熱情和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

3 學(xué)情與教材分析 

本節(jié)涉及到“共點(diǎn)力、合力的概念和力的合成定則”三個(gè)知識(shí)內(nèi)容，是力學(xué)、動(dòng)力學(xué)乃至整個(gè)物理學(xué)最基礎(chǔ)的知識(shí)內(nèi)容，學(xué)生能否理解將直接影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，因而本節(jié)是高中學(xué)生物理學(xué)科分流的分水嶺，學(xué)好本節(jié)意義十分重大。

高一學(xué)生已具備一定的閱讀理解能力，但歸納概括水平較低，概括習(xí)慣多數(shù)尚未形成，抽象演繹思維還要依托形象事例來(lái)幫助。據(jù)此，共點(diǎn)力、合力的概念可以讓學(xué)生自學(xué)，但合力概念的重點(diǎn)要給予點(diǎn)明，并舉例解釋。

力的合成定則中的同一直線問(wèn)題初中已學(xué)，但容易遺忘，教學(xué)中不能當(dāng)成學(xué)生已知而避而不談，也不能簡(jiǎn)單口頭復(fù)述，要以問(wèn)題的形式引導(dǎo)學(xué)生自覺(jué)回顧，以加深理解。

讓學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)互成角度的力的合成規(guī)律，涉及矢量（力）的實(shí)驗(yàn)記錄，矢量（力）的描述以及描述圖中進(jìn)行發(fā)現(xiàn)三個(gè)環(huán)節(jié)。在初中，學(xué)生已在“光的折射”一節(jié)中練習(xí)過(guò)如何用實(shí)驗(yàn)記錄光線的位置和方向。本節(jié)之前剛學(xué)習(xí)了力的圖示，而在圖示中發(fā)現(xiàn)分力與合力的平行四邊形的關(guān)系，只要實(shí)驗(yàn)記錄及圖示做得準(zhǔn)確，是很容易感覺(jué)出來(lái)的。因而，讓學(xué)生獨(dú)立發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律是可行的。當(dāng)然，發(fā)現(xiàn)過(guò)程需要學(xué)生的方法遷移與創(chuàng)新能力，空間想象能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度。因此，學(xué)習(xí)中需要教師給予及時(shí)的啟發(fā)與點(diǎn)撥。

由于橡皮筋兩次拉回同一點(diǎn)時(shí)微小的視覺(jué)誤差，會(huì)明顯影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，其精度不如懸掛法，提示學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中要特別注意。

4 教學(xué)準(zhǔn)備 

（1）事先要選擇好演示用的沙袋與細(xì)線，使得單股線拉時(shí)線斷，雙股線拉時(shí)不斷。

（2）每?jī)扇藶橐唤M，準(zhǔn)備鐵架臺(tái)一架，彈簧秤2把，鋪紙的平木板1個(gè)。橡皮筋、棉線、鉤碼等學(xué)生可依自己設(shè)計(jì)的方案任選。

5 教學(xué)過(guò)程

（一）引入新課 

（1）問(wèn)：力的作用效果由哪幾個(gè)因素決定？如何完整地描述一個(gè)力？（決定因素有大小、方向、作用點(diǎn)；完整描述可以用力的圖示）

（2）（出示2個(gè)相同的沙袋）問(wèn)：如何將沙袋停放在空中？（生答：用線懸掛）

（3）（師將沙袋用一根棉線懸起，但棉線斷

*本文獲全國(guó)教育科學(xué)“十五”規(guī)劃重點(diǎn)課題《高中物理新課程改革實(shí)驗(yàn)研究》（批準(zhǔn)號(hào)DHA050112）與課題《高中新課程中三維目標(biāo)的確立與實(shí)現(xiàn)研究》的資助。

了）又問(wèn)：怎么辦？

（生：方法一：將剛才的棉線折成兩股后再懸掛沙袋；方法二：換用一根較粗的線去懸掛）

（4）（師按生的兩方法成功地將沙袋懸起，如圖1板畫(huà)，表?yè)P(yáng)學(xué)生）

再問(wèn)：剛才用單股線掛時(shí)斷了，用雙股線掛為何不斷？

（生通過(guò)受力分析，回答：?jiǎn)喂删€掛時(shí)線的最大拉力TM

（學(xué)情預(yù)測(cè)及設(shè)計(jì)意圖 下面的認(rèn)知過(guò)程，要求學(xué)生清楚矢量的特性及其描述方法，設(shè)置（1）以防這一知識(shí)的遺忘并促進(jìn)對(duì)其主動(dòng)運(yùn)用。設(shè)置（2）、（3）、（4）環(huán)節(jié)是為引入共點(diǎn)力、合力這兩個(gè)概念，將單調(diào)的新概念的學(xué)習(xí)融入到用舊知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中。同時(shí)在解釋線為何斷的過(guò)程中，復(fù)習(xí)與下面學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)和技能，為學(xué)生能自主探究力的合成作必要的鋪墊。）

（二）新課教學(xué) 

共點(diǎn)力、合力、分力的定義：

（5）師介紹共點(diǎn)力的定義，并以圖2為例加以說(shuō)明。

（6）師介紹合力的定義：像圖2那樣，T直接將沙袋懸掛住，而T1、T2共同作用也將同樣的沙袋懸掛住，因而T單獨(dú)作用與T1、T2共同作用的效果相同，這樣，T就叫做T1、T2的合力。反過(guò)來(lái)，T1、T2叫做T的分力。像這樣，如果幾個(gè)力共同作用的效果和一個(gè)力單獨(dú)作用的效果相同，這個(gè)力就叫作那幾個(gè)力的合力。求幾個(gè)力的合力叫作力的合成。

合力、分力定義的強(qiáng)化：

（7）讓生判斷

①如果在如圖2所示中，左右兩邊的沙袋不同，T能否稱為T(mén)1、T2的合力？（不能）

②將圖2所示中右邊的兩條線掰開(kāi)成如圖3所示，這時(shí)，T3、T4與G是否為共點(diǎn)力？（是）T能否稱為T(mén)3、T4的合力？（可以）

③（出示已釘在木板上的橡皮筋）問(wèn)：用一個(gè)力F與用兩個(gè)F1、F2分別拉同一橡皮筋（如圖4），在什么情況下F可以稱為F1、F2的合力？（當(dāng)兩次拉后橡皮筋伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度都相同時(shí)）



（學(xué)情預(yù)設(shè)及設(shè)計(jì)意圖 共點(diǎn)力的概念學(xué)生只需按定義的字面意思進(jìn)行理解即可，合力的概念如不加點(diǎn)明、舉例判斷，學(xué)生無(wú)法當(dāng)場(chǎng)理解，而這一概念的理解將直接關(guān)系到能否獨(dú)立探究力的合成規(guī)律，因此設(shè)計(jì)（7）環(huán)節(jié)加以鞏固落實(shí)。環(huán)節(jié)（7）中的圖3、圖4，為下面設(shè)計(jì)記錄合力與分力的實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)素材，減小設(shè)計(jì)時(shí)的思維量和時(shí)間。）

分力共線時(shí)力的合成：

（8）以圖4的右圖為例，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用初中知識(shí)證明當(dāng)分力F1、F2在同一直線時(shí)有：

F1、F2同向時(shí) F合=F1+F2①

F1、F2異向時(shí) F合=|F1-F2|（方向與較大的分力相同）。②

分力間互成角度時(shí)力的合成：

（9）問(wèn)：當(dāng)分力互成角度時(shí)，它們與合力的關(guān)系與分力同向時(shí)一樣嗎？（讓學(xué)生猜想：有的認(rèn)為是，有的認(rèn)為不是）

（10）讓學(xué)生觀察下面的實(shí)驗(yàn)。（師演示：將圖3中的兩線掰得更開(kāi)些，直至棉線斷開(kāi)。）

問(wèn)：這一現(xiàn)象說(shuō)明了什么？（師生分析：同向時(shí)線不斷；互成角時(shí)線斷，說(shuō)明T3、T4大于T1、T2，因 T=T1+T2，故T3+T4>T，說(shuō)明互成角度時(shí)合力的大小不再等于兩分力的和，即T≠T3+T4。

（11）師：T≠T3+T4，但T3、T4與T具有相同的作用效果，我們相信它們有一定的聯(lián)系規(guī)律，應(yīng)如何揭示這一規(guī)律呢？請(qǐng)同學(xué)想一想。

師生討論得出：由于力的作用效果與大小、方向、作用點(diǎn)有關(guān)。因此，合力T與分力T3、T4的關(guān)系不僅與大小有關(guān)，還可能與力的方向和作用點(diǎn)有關(guān)。因此，要揭示其關(guān)系的規(guī)律，除關(guān)注大小外，還應(yīng)關(guān)注方向和作用點(diǎn)。為此，應(yīng)先準(zhǔn)確地記錄合力與分力的大小、方向和作用點(diǎn)。再用力的圖示法將合力與分力描繪出來(lái)，然后慢慢進(jìn)行分析研究。

（學(xué)情預(yù)設(shè)及設(shè)計(jì)意圖 力的合成規(guī)律在互成角度時(shí)與在同一直線時(shí)是否相同，學(xué)生難以作出準(zhǔn)確的判斷。如去除（9）～（11）三個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生會(huì)感到突然，對(duì)（12）以下環(huán)節(jié)的目的意義，不能有較深的認(rèn)知，（9）～（11）三環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生清楚下面要研究什么、為什么要研究、如何研究，并通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題的思考、判斷，鍛煉自己，提高能力。）

（12）師：請(qǐng)同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)量并記錄合力與分力的大小、方向、作用點(diǎn)，要求說(shuō)明實(shí)驗(yàn)步驟。

（13）用實(shí)物展示儀展示同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)的方案，并引導(dǎo)大家進(jìn)行評(píng)價(jià)、修正和比較，確定較理想的幾種方案。

方案1（懸掛法）：

①如圖5所示用兩彈簧秤將重物懸掛起來(lái)。

②用貼有白紙的平木板貼近（不能壓）三股細(xì)線上，用黑筆在板上及線上記下結(jié)點(diǎn)O及三細(xì)線的位置A、B、C。

③記下彈簧秤TA、TB的讀數(shù)。

④改用一把彈簧秤直接懸掛重物，將平木板貼近細(xì)線，并使板上已記的點(diǎn)O、C與線上的點(diǎn)O、C重合，再用黑筆在板上及線上記下懸線的位置D，并記下彈簧秤的讀數(shù)T（圖6）。

方案2（橡皮筋法）：參照課本P81（略）

（學(xué)情預(yù)設(shè)與設(shè)計(jì)思路

學(xué)生設(shè)計(jì)的方案多種多樣，教學(xué)中應(yīng)盡量給予展示、點(diǎn)評(píng)和鼓勵(lì)，以及時(shí)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到不足并加以改進(jìn)。

設(shè)計(jì)過(guò)程中教師應(yīng)巡查指導(dǎo)，有的學(xué)生文字表述不好，教師應(yīng)讓其用圖示或手勢(shì)表示其思路，然后幫助其將這些想法寫(xiě)出來(lái)，這對(duì)學(xué)生的進(jìn)步是很有益的。）

（14）讓學(xué)生自行選取一個(gè)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（15）要求學(xué)生將記錄下的TA、TB、T并用力的圖示描述出來(lái)，并分析三者間存在的關(guān)系。

（學(xué)情預(yù)設(shè)及設(shè)計(jì)意圖：① 將實(shí)驗(yàn)記錄過(guò)程與處理記錄的過(guò)程分開(kāi)，有利于時(shí)間的控制掌握。

② 實(shí)驗(yàn)記錄過(guò)程中要深入學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，要將先完成的學(xué)生的記錄圖在展示儀上展示，以再次啟發(fā)后進(jìn)學(xué)生及時(shí)完成實(shí)驗(yàn)記錄。

③ 如沒(méi)有同學(xué)發(fā)現(xiàn)四邊形關(guān)系，可引導(dǎo)同學(xué)連接T與TA、TB之間的端點(diǎn)，觀察所構(gòu)成的圖的特點(diǎn)（如圖7）。

④ 如有同學(xué)較早發(fā)現(xiàn)四邊形關(guān)系，不宜急于公布，要等待多數(shù)同學(xué)有共同的發(fā)現(xiàn)后再進(jìn)行展示公布，這樣有利于更多的學(xué)生體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的歷程。

⑤ 對(duì)于部分同學(xué)圖示后的TA、TB與T不符合四邊形定則，教師應(yīng)指導(dǎo)其檢查記錄是否準(zhǔn)確，圖示是否正確。）

（16）展示圖示，說(shuō)明原因，提出結(jié)論。

展示得出平行四邊形結(jié)論的同學(xué)的圖示（其中應(yīng)盡量既有懸掛法，又有橡皮筋法）。也展示不能得出平行四邊形結(jié)論的同學(xué)的圖示，說(shuō)明其可能的原因。總結(jié)得出：平行四邊形定則（略），并說(shuō)明這是所有矢量的通則。最后介紹歷史上平行四邊形定則發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，說(shuō)明定則的意義。

6 小結(jié)

以共點(diǎn)力、合力、力的合成定則三個(gè)知識(shí)目標(biāo)的認(rèn)知學(xué)習(xí)為主線，選擇合適的認(rèn)知途徑，使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程中，同時(shí)獲得相應(yīng)的感悟和體驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)其它兩維目標(biāo)。其中共點(diǎn)力、合力的概念的認(rèn)知途徑設(shè)計(jì)成讓學(xué)生直接以定義出發(fā)進(jìn)行實(shí)例判斷，以讓學(xué)生體驗(yàn)從理論到實(shí)踐的思維過(guò)程；力的合成定則分為同一直線的兩力合成和互成角度的兩力合成；前者以問(wèn)題的形式讓學(xué)生應(yīng)用已學(xué)的知識(shí)進(jìn)行推導(dǎo)，以讓學(xué)生感受如何溫故知新；后者的認(rèn)知學(xué)習(xí)分為四步：①判斷能否將同一直線的結(jié)論遷移到互成角度的情況。②分析不能遷移的原因。③設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，記錄矢量——合力與分力。④研究記錄情況，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

將認(rèn)知過(guò)程進(jìn)行分化可以降低學(xué)生自主學(xué)習(xí)難度，依學(xué)情分析，我們預(yù)測(cè)只有分化成這四個(gè)環(huán)節(jié)，才能使學(xué)生在課堂時(shí)間里完成自主學(xué)習(xí)的任務(wù)。學(xué)生通過(guò)這些環(huán)節(jié)的自主學(xué)習(xí)至少獲得：①鍛煉如何用理論或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象來(lái)判斷事物的是非；②培養(yǎng)應(yīng)用已學(xué)知識(shí)來(lái)分析解決遇到的問(wèn)題；③感受忠實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行分析的科研方法，培養(yǎng)尊重事實(shí)的態(tài)度，體會(huì)準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

(欄目編輯趙保鋼)

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。