一“手”突破“力的分解”

趙 瑩

(無(wú)錫市輔仁高級(jí)中學(xué),江蘇無(wú)錫 214000)

力學(xué)是整個(gè)高中階段物理教學(xué)的重點(diǎn)之一,在力學(xué)中力的分解又是分析解決力學(xué)問(wèn)題的基本方法,是教學(xué)的重點(diǎn),也是教學(xué)的難點(diǎn).學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí),對(duì)為什么要進(jìn)行力的分解、怎樣分解、分力和合力有什么關(guān)系等感到困惑,在具體問(wèn)題的分解中也會(huì)常出錯(cuò).筆者在教學(xué)中嘗試借用“手”對(duì)力進(jìn)行感覺(jué),加深學(xué)生對(duì)力的作用效果的理解,收到了較好的教學(xué)效果.下面結(jié)合幾個(gè)實(shí)例談?wù)勛约旱淖龇?

1 重力在斜面上的分解

圖1

例1.如圖 1所示,傾角為 θ的斜面上放有一物體,該物體的重力 G能對(duì)物體產(chǎn)生哪些效果?應(yīng)當(dāng)怎樣分解重力?

學(xué)生實(shí)驗(yàn):在水平伸出的手掌上放一本書(shū),然后使手傾斜,直至?xí)禄?

圖2

引導(dǎo)學(xué)生分析:①當(dāng)書(shū)放在伸平的手掌上時(shí),我們只感到手掌受到書(shū)的壓力,說(shuō)明書(shū)的重力產(chǎn)生了一個(gè)緊壓手掌的作用效果,如圖2(a)所示.當(dāng)手掌傾斜時(shí),書(shū)對(duì)手掌的作用效果類(lèi)似于斜面上物體對(duì)斜面的作用,此時(shí)我們除感到手掌受壓力外,還感到書(shū)在沿手掌下滑,說(shuō)明重力產(chǎn)生了兩個(gè)作用效果:使書(shū)沿手掌下滑和使書(shū)壓緊手掌,如圖2(b)所示.

②因此重力的兩個(gè)分力就在平行于斜面向下和垂直于斜面向下兩個(gè)方向上.分力方向確定了,分解就是唯一的.

③根據(jù)平行四邊形定則,與重力G共點(diǎn)的兩個(gè)鄰邊,就表示重力 G的分力F1、F2.

④根據(jù)直角三角形的邊角關(guān)系可求出和F1和F2,如圖 2(b)所示,F1=Gsinθ,F2=Gcosθ.

圖3

例2.分析卡在光滑擋板和斜面間的重球的重力產(chǎn)生的效果,如圖3(a)所示.

學(xué)生實(shí)驗(yàn):用大拇指和食指模擬擋板和斜面,將重球置于大拇指和食指間.

引導(dǎo)學(xué)生體會(huì):重球重力產(chǎn)生的作用效果是對(duì)食指的壓力和對(duì)大拇指的推力,因此重球重力的分解如圖3(b)所示.改變大拇指與食指之間的夾角如圖4(a)所示,由三角函數(shù)可知:F1=Gcosθ,F2=Gsinθ.再體會(huì)重力產(chǎn)生的作用效果,引導(dǎo)學(xué)生作出第2種情形下重力的分解如圖4(b)所示,由三角函數(shù)可知

圖4

例3.如圖5(a)所示,在豎直墻上固定一個(gè)輕支架,橫桿OM垂直于墻壁,斜桿ON跟墻的夾角為θ,在支架的O點(diǎn)掛有一個(gè)重為 G的物體.怎樣確定桿OM、ON的受力方向?

學(xué)生實(shí)驗(yàn):使用一根一端纏有橡皮筋的鉛筆,橡皮筋的另一端套在手指上,鉛筆的另一端頂住手掌,如圖5(b)所示.體會(huì)重力的拉力對(duì)手指和手掌產(chǎn)生的兩個(gè)作用效果.

圖5

引導(dǎo)學(xué)生分析:①實(shí)驗(yàn)證明,作用于支架的豎直向下的重物的拉力對(duì)支架的兩桿產(chǎn)生了作用:使上桿受拉力,下桿受壓力.

②因此,這個(gè)拉力可以沿桿件分解.方向確定了,分解就唯一了.

③根據(jù)平行四邊形定則作圖,與拉力F共點(diǎn)的兩個(gè)鄰邊就表示F的兩個(gè)分力F1和F2.

④如圖5(b)所示,根據(jù)直角三角形邊角關(guān)系可求出F1和F2,

如果改變繩套在手指上的高度,即改變繩與手指的夾角,就可以體會(huì)由此帶來(lái)對(duì)手指和對(duì)手掌的作用效果的改變.這個(gè)實(shí)驗(yàn)中鉛筆的長(zhǎng)度需短些,使得移動(dòng)繩套的高度時(shí),繩與手指間夾角的變化大,實(shí)驗(yàn)效果更明顯.

2 在水平面上的推力和拉力

例4.放在水平地面上的物體受到一斜向上方的拉力F作用,如圖6(a)所示,F與水平方向成θ角.怎樣把力F按其作用效果進(jìn)行分解?這兩個(gè)分力的大小、方向如何?

圖6

學(xué)生實(shí)驗(yàn):在手掌上放置物體,斜向上拉物體,體會(huì)這個(gè)過(guò)程中物體對(duì)手掌壓力的減少和物體開(kāi)始有運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)或開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的效果,如圖6(b)所示.由三角函數(shù)可知F1=Fcosθ,F2=Fsinθ.

如果斜向下推物體,如圖7(a)所示,通過(guò)學(xué)生實(shí)驗(yàn)在手掌上放置物體,斜向下推物體,體會(huì)這個(gè)過(guò)程中物體對(duì)手掌壓力的增加和物體開(kāi)始有運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)或開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的作用效果.由三角函數(shù)可知 T1=Tcosθ,T2=Tsinθ.

圖7

實(shí)驗(yàn)中教師只需準(zhǔn)備圓柱形的重砝碼作為重物,利用學(xué)生身邊常見(jiàn)的物品如鉛筆和橡皮筋,并且借助“手”來(lái)完成所有實(shí)驗(yàn),簡(jiǎn)單易行.實(shí)際教學(xué)中,這一方法的運(yùn)用對(duì)學(xué)生正確地進(jìn)行力的分解收到了良好的效果.

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué),在學(xué)生缺乏動(dòng)手習(xí)慣和能力的情況下,正確的概念難以在他們頭腦中形成,遇到較為抽象的物理概念就會(huì)成為學(xué)生學(xué)習(xí)的障礙.教學(xué)中如果引導(dǎo)學(xué)生勤于動(dòng)手,讓學(xué)生從感知開(kāi)始,積累了豐富的感性認(rèn)識(shí)之后就會(huì)上升到理性認(rèn)識(shí),學(xué)生就會(huì)在輕松有趣的氣氛中獲取知識(shí),就會(huì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力,產(chǎn)生良好的學(xué)習(xí)效果.