《探究三力平衡的條件》教學(xué)設(shè)計

摘要：《探究三力平衡條件》是高一物理第一冊的內(nèi)容，在本課題設(shè)計中以學(xué)生分組實驗探究為手段。充分讓學(xué)生通過體驗、參與從而獲取問題的解決，是一次新課程下教學(xué)創(chuàng)新的實踐。

關(guān)鍵詞：探究；三力；平衡

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2013）2（S）-0064-4

本節(jié)課是在學(xué)生學(xué)習(xí)高一“人教版”物理第三章第四節(jié)《力的合成》后開設(shè)的學(xué)生實驗探究課。

授課對象：浙江省永康市第二中學(xué)高一（3）班學(xué)生。

地點：永康二中實驗室。

1 教學(xué)目標(biāo)

1.1 知識與技能

（1）知道平衡概念，理解物體在平衡力作用下的平衡條件。

（2）學(xué)會應(yīng)用實驗的辦法探究物體在三力作用下平衡的規(guī)律。

（3）會對實驗誤差進行分析。

（4）應(yīng)用三力平衡條件解釋生活中看到的實際問題。

1.2 過程與方法

（1）通過實驗過程的參與，體會科學(xué)探究——提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃與設(shè)計實驗、進行實驗與收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作。

（2）通過實驗感受等效替代、歸納、力的圖示等科學(xué)方法。

1.3 情感、態(tài)度與價值觀

（1）通過合作探究，體會合作的重要性，學(xué)會合作，享受合作的愉悅。

（2）利用共點力平衡的知識解釋身邊的事情。

2 教學(xué)重難點

2.1 重點

三力平衡的條件。

2.2 難點

學(xué)生做三力平衡時候遇到的具體問題。

3 教學(xué)用具

白紙2張、硬紙片1張、3條細(xì)線、彈簧測力計3只、小鐵釘1枚、量角器。

4 教學(xué)方法

本課通過演示實驗，巧設(shè)物理情景，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性；由學(xué)生的分組實驗，激發(fā)學(xué)習(xí)動機，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；最后再通過實際問題，深化學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性。

探究式分組實驗的方法，需要學(xué)生自己動手實驗，觀察來源于實驗的現(xiàn)象，運用歸納法進行加工整理，得出一般性的物理規(guī)律。本課通過教師引導(dǎo)，使學(xué)生再一次領(lǐng)略到物理知識的邏輯性和簡潔性，從而發(fā)現(xiàn)物理世界的“美”。

5 課堂實錄

5.1 教學(xué)回顧

師：同學(xué)們，今天很高興能在實驗室里和大家一起來探討問題。

首先，我們來看一個現(xiàn)象。同學(xué)們的桌上放有較多的實驗器材，它們現(xiàn)在都處于靜止?fàn)顟B(tài)。請對其中任意一件器材進行受力分析。

生甲：彈簧測力計受豎直向下的重力和垂直于水平桌面的支持力，共兩個力的作用。

生乙：桌上任意一件器材都受到豎直向下的重力和垂直于水平桌面向上的支持力作用。

師：對的。那么這兩個力有什么特點？

生：大小相等、方向相反、作用在同一直線上。

師：我們能不能歸納出物體在受到兩個力的作用下，處于靜止?fàn)顟B(tài)時的規(guī)律就是上面所說的情況？

生：是的。

生：不光是靜止的問題，勻速運動的時候也是如此的。

師：也就是說，物體如果受到兩個力作用而處于平衡狀態(tài)，則這兩力必定是大小相等、方向相反、作用在同一直線上的。

生活中很多物體會受到不止兩個力的作用，那么物體受到多個力，而保持（處于）平衡狀態(tài)時，又遵循怎樣的條件呢？我們由二力平衡前進一小步，討論一下三力平衡的情況如何？

5.2 探究教學(xué)

5.2.1 平衡的概念

我們將物體處于靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。

5.2.2 探尋規(guī)律

（1）實驗探究一：三力平衡時，三力共面，異面？還是共、異面均可能？

①提出問題

師：三力平衡時，三力共面、異面？還是共、異面均可能？

②科學(xué)猜想

以生活中的物體受力為例。

抬頭看日光燈。

師：我們生活中很多物體受到的力可能不止兩個。同學(xué)們看日光燈，分析其受力情況？

生：重力向下，兩根吊桿各給日光燈一個向上的拉力。這三力是共面的、平行的。向上兩個力的合力等于第三力。

師：（板書）

這三力滿足兩個條件：方向是平行的；大小是同向的力和反向的力相等，即F+F=F。

③研究方案

師：除了這種平行的特殊情況，物體受三力而平衡時，三力肯定要共面嗎？怎樣探究這個規(guī)律呢？

生：直覺是應(yīng)該共面的。因為不共面，物體要翻轉(zhuǎn)起來。

生：是共面的。如果不共面，桌上的硬紙片用三只手去拉，它要被扭轉(zhuǎn)，沒法平衡。

生：我們可以用實驗來探究？

師：這方法可行，硬紙片很輕，忽略重力。如果用三條細(xì)繩拉硬紙片，我們就可以通過觀察細(xì)繩在不在同面來判定物體受到三力作用時是否需要共面。

我們研究物理規(guī)律，都會從最簡單的形式開始！請同學(xué)們按照我們的要求來設(shè)計一個合理的實驗方案！

④自主探究

學(xué)生活動：四人一組實驗。探究物體受到三力作用時候是否需要共面。

用小鐵釘在硬紙片上隨機打三個小孔，以備穿細(xì)線之用，如圖1所示。

生：小組實驗。三人拉細(xì)繩，另一人判斷。

⑤交流匯報

生：得出結(jié)論，確實應(yīng)該共面。

（2）實驗探究二：三力的作用線交點有幾個？

①提出問題

師：探究三力平衡時，三力的作用線交點有幾個？

②科學(xué)猜想

生：紙片上打的點不在一個地方，所以作用線交點是三個點。

生：不對。力的作用線或作用線的延長線相交，才能確定是幾個?？赡苁且粋€。

③研究方案

分組討論、總結(jié)方法。

生：可以將剛才的實驗投影到桌上。

生討論后擬定：在實驗桌上用膠帶固定A3白紙。在靠近白紙上方且平行白紙?zhí)幱昧瓌尤龡l細(xì)線，采用描點方式記下三力方向；撤去硬紙片，在白紙上分別畫出三力的作用線。改變拉力方向。重復(fù)上述步驟多次。

④自主探究

生實驗活動……

教師巡視，發(fā)現(xiàn)有的學(xué)生手拉細(xì)繩時，手移動了，導(dǎo)致畫圖不準(zhǔn)確，提醒手應(yīng)該靠在桌上。

⑤分享成果

各組匯報成果。量得各力的夾角，在黑板上畫出硬紙片的受力情況（板畫）。

師生匯總：

物體受到的力的作用線或力的作用線的延長線交于一點。我們得出物體受到三力平衡的條件之一是共點力。

（3）實驗探究三：三力的大小有怎樣的關(guān)系？

師：平衡時，物體受到的三力大小應(yīng)該是什么關(guān)系？根據(jù)以下各圖，我們從特殊到一般吧。小組內(nèi)先合作再分工。做以下三組實驗：

①在桌面白紙上先畫出三條互成120°角的三條直線（圖2）?？拷准埼恢盟嚼瓌尤齻€彈簧測力計，如圖3所示。使三彈簧測力計與三直線平行，記下彈簧測力計的示數(shù)F、F、F及拉力方向。

②使其中兩個彈簧測力計相互垂直，如圖4所示。重復(fù)上述操作。畫出三力的圖示。探究F、F、F三力的大小關(guān)系。

③三彈簧測力計之間夾角任意，重復(fù)上述操作。

師提醒：要正確使用彈簧測力計，正確讀數(shù)。作圖時利用好量角器。

學(xué)生組內(nèi)分工合作，進行實驗活動……

學(xué)生匯報。

生：互成120°時，三彈簧測力計示數(shù)為1.5N，1.5N，1.5N。得出結(jié)論是：三力大小相等。

學(xué)生作品展示。

師：可是我看你的力的圖示上這三個力有一點不同。

生：在誤差范圍內(nèi)，還是可以近似認(rèn)為是相等的。

師：很好。我們做實驗的時候，需要忽略實驗誤差。

生：在誤差范圍內(nèi)，相互垂直的兩個力——1.5N，2.0N的合力2.5N與第三力2.5N大小相等，方向相反。

生：兩彈簧測力計之間夾角60°，力都是1.0N。另一個彈簧測力計讀數(shù)是1.8N。這兩個1.0N的力的合力是1.7N左右。滿足兩力的合力與第三力相等。

師：我們現(xiàn)在能否下個定論，那就是物體受到三力作用，處于平衡狀態(tài)，需要滿足什么條件？

生：共點力作用，任意兩力的合力和第三力大小相等，方向相反。

師：很好。（板書）

大量的實踐和理論推導(dǎo)證明，三力平衡的條件是：

1.三力平行，同向的力的合力與反向的力相等。F+F=F。

2.三力共點，任意兩力的合力和第三力大小相等，方向相反；或者說合力為零。

5.2.3 應(yīng)用推廣

拱券結(jié)構(gòu)是古代人們解決建筑跨度的有效方法。歐洲古羅馬的萬神廟、我國古代的趙州橋都是拱券結(jié)構(gòu)的典型建筑。拱券結(jié)構(gòu)的特點是利用石塊的楔形結(jié)構(gòu)，將受到的重力和壓力分解為向兩邊的壓力，最后由拱券兩端的基石來承受（圖5）。

現(xiàn)有六塊大小、形狀、質(zhì)量都相等的楔塊組成了一個半圓形實驗拱券，如圖6所示。請對中間偏左的楔塊進行受力分析。

6 教學(xué)反思

物體處于三力作用而平衡狀態(tài)，各力之間的關(guān)系，在本設(shè)計中使用的是實驗法進行探究。在以往的教學(xué)中；我們經(jīng)常安排習(xí)題課，用很多方法進行計算。例如：力的合成（歸一思想）：把三個共點力的平衡問題，通過力的合成法轉(zhuǎn)化為二力平衡問題，即，某個力必與其余力的合力等值反向；力的分解：通常用正交分解法，依題意選擇合適的坐標(biāo)，根據(jù)題意列方程求解；三力匯交原理：若物體受共面的三個不平行的力作用而平衡，則這三個力必定共點，而且表示三個力的矢量線段組成一個順向的封閉三角形。本設(shè)計使用實驗法進行探究，讓學(xué)生有切身的實驗體會，這是其他方法所不能及的。本節(jié)課是規(guī)律的探究課，呈現(xiàn)在學(xué)生面前的是現(xiàn)象、問題，而不是結(jié)論。因此，本節(jié)課的教學(xué)沒有要求學(xué)生預(yù)習(xí)。面對新現(xiàn)象，新問題，且沒有唯一固定的答案，學(xué)生有濃厚的探究欲望，為其思維的發(fā)散提供了較大的空間。從另外一個角度講，本節(jié)內(nèi)容對數(shù)學(xué)運算、物理理論要求不高，適當(dāng)?shù)赜纸档土藢W(xué)習(xí)難度，選擇探究式教學(xué)是最佳的途徑。探究式教學(xué)重視的是探究的過程和方法而不是結(jié)論。探究過程是產(chǎn)生創(chuàng)造思維的溫床。本節(jié)課以學(xué)生為主，讓學(xué)生實驗，得出結(jié)論，驗證結(jié)論等等，教師只起引導(dǎo)和組織的作用，這樣不僅能讓學(xué)生對物體處于三力作用而平衡的條件有深刻的理解，而且也培養(yǎng)了學(xué)生實驗操作技能以及分析、歸納、概括、總結(jié)等邏輯思維能力。

參考文獻：

[1]步國平.《力的合成》教學(xué)設(shè)計[J].物理教學(xué)探討，2009，（1）：27.

[2]陳曙東.《力的合成》教學(xué)活動設(shè)計[J].物理教學(xué)探討，2010，（4）：70.

（欄目編輯 鄧?yán)冢?/p>