物體受力分析創(chuàng)新教學的思考和實踐

吳志青

摘 要： 本文提出了新的受力分析方法，如在受力分析思路中指明研究對象的位置，標明加速度，指明受力圖的后續(xù)處理方法等，在實踐應用中卓有成效，嘗試解決高中物理教學中受力分析的教學難點。

關鍵詞： 受力分析 創(chuàng)新教學 研究位置 標注加速度

物體受力分析是高中物理教學的重中之重，貫穿整個高中教材。無論是必修1、必修2，還是選修3系列的五本教材都離不開受力分析。受力分析教學不可能一步到位、一勞永逸，而要隨著教材知識的延伸，不斷補充完善受力分析方法。很多老師都明白這一點，也按這一特點組織教學，但學生掌握情況還是不理想，一些學生到了高三復習還在說：“高一沒學好，現(xiàn)在還是不太會分析受力?！蔽医?jīng)由多年的教學、聽課和經(jīng)驗交流，覺得主要問題在兩點：一是常用的受力分析方法不夠完美；二是教師的講解示范缺乏步驟上的規(guī)范，學生較難建構(gòu)一套高效的受力分析方法。接下談談我的物體受力分析教學。

一、我的受力分析方法和其他教師與教輔采用的方法的不同之處。

在確定受力分析方法時，既要考慮正確易懂，又要考慮學生的學習習慣。我采用的受力分析方法思路是：

1.選擇研究對象與研究位置（或時刻）。

2.標明研究對象的加速度。

3.按順序畫研究對象的實際受力示意圖。

4.用正交分解等方法分析處理受力圖。

這一思路與許多教師和教輔材料采用的思路不同之處有：多了研究位置選擇，要求在圖旁標明加速度，特別強調(diào)要畫實際受力，指明受力圖的后續(xù)處理方法，舍棄了受力圖畫完后檢查受力是否正確合理的步驟。這套受力分析方法在我的教學實踐中得到了檢驗，它的優(yōu)點在后面的介紹中會進一步說明。

二、受力分析創(chuàng)新教學在實踐中應用。

1.如何選擇研究對象？為什么要強調(diào)選擇研究位置（或時刻）？

研究對象可以選受力個體，也可以選含該受力個體在內(nèi)的整體，但研究對象的選擇要注意有效性。如果求解A、B之間的相互作用力，選擇包含A、B在內(nèi)的整體為研究對象就是無效的，而應將A、B分開，研究對象要么選A（或包含A排除B的整體），要么選B（或包含B排除A的整體）。以下面題目為例：如圖1所示，站在箱內(nèi)的人加速向下收攏輕繩，使人和箱子一起加速運動，人和箱子質(zhì)量分別為m和M，當加速度為a時，人對箱底的壓力N多大？本題怎么選擇研究對象才是有效的呢？設繩子拉力大小為F，如果選箱子為研究對象，受力分析如圖2所示，就可得方程式F-N-Mg=Ma，該式與N有關，對求解N有效。因為壓力N與箱子對人的支持力等大反向，以人為研究對象也能得出與N有關的有效方程式。如果選人和箱子整體為研究對象，受力分析如圖3所示，所求壓力N作為內(nèi)力不會出現(xiàn)，所得方程式為2F-（M+m）g=（M+m）a，該式與N無關，對求解N無效。（不過該式對求解前式的F有效，需要解答有關F的問題時可以用上。）

研究對象的選擇還要盡量簡單，方便列式求解。如圖4，物塊m沿斜面體M勻速下滑，斜面體始終靜止在水平地面上，要求分析地面對斜面體的摩擦力情況。根據(jù)有效性原則，研究對象可以選擇斜面體，也可以選擇斜面體和物塊組成的整體。不過，選擇上述整體為研究對象不用考慮物塊和斜面體之間的相互作用力，涉及的外力少且簡單。解析如下：物塊與斜面體加速度均為0，所以整體受到的重力與地面支持力平衡，水平方向無地面摩擦力。如果物塊改成以加速度a沿斜面加速下滑，那么下滑過程中地面對斜面體的摩擦力又怎么分析呢？同樣選擇斜面體和物塊組成的整體為研究對象有效且方便，解析如下：物塊加速度朝右下方向，斜面體加速度為0，整體合力應該朝右下，所以地面對斜面體靜摩擦力向右，順便還可以知道地面支持力小于整體受到的重力。

受力分析為什么還要選擇研究位置（或時刻）呢？因為力有瞬時性，力在不同的位置（或時刻）有可能發(fā)生變化。比如：空氣阻力恒定時的上拋運動，物體上升階段任意位置受力相同，下降階段任意位置受力也相同，但上升階段與下降階段受力不同。受力分析時，應該說明選擇的是上升階段的任意位置還是下降階段的任意位置。再舉個例子：三個完全相同的小球用兩根輕繩和一個輕彈簧如圖5連接，懸掛在天花板下?，F(xiàn)在剪斷下面的繩子，問剪斷瞬間三球的加速度各為多少？這里要注意力在剪斷瞬間和剪斷之前的不同與關聯(lián)。彈簧的彈力剪斷瞬間和剪斷之前相同，均為2mg。上面繩子的拉力在下面繩子剪斷瞬間，由之前的3mg變?yōu)?mg。

2.為什么要標明研究對象的加速度（請注意不是速度）？

因為物體所受合力決定了物體的加速度，物體的受力情況必須與物體的實際運動狀態(tài)相符合。判定加速度情況并標注在受力圖旁，有利于始終把握好物體受力的總體情況。若是物體靜止或勻速直線運動，則a=0，所畫受力應平衡；若是非平衡狀態(tài)，則判明加速度方向并標注，合力應與加速度同向；若遇到加速度情況無法判明，其實也是一種結(jié)果，表示有多種可能，如果需要則可以假設加速度方向。

在受力圖中標明加速度的方向還有一個好處，就是方便后面利用正交分解處理受力圖。坐標系的一個軸可以與標明的加速度方向重合，迅速將各力正交分解，如果所取坐標系的兩個軸均不與加速度方向重合，加速度要和力一起參與正交分解。

許多教師讓學生畫完受力示意圖后，再檢查受力與物體的情景狀態(tài)是否相符，我以為效果不好。從學生的行為習慣來看，為了加快解題速度、提高解題效率，學生一般不會完成一部分任務就回頭檢查，而是習慣將思路逐步推進，直到問題解決。一旦問題解決，學生又開始解答新的問題，教師提倡的檢查常淪為空談。所以我在教學中將該環(huán)節(jié)內(nèi)容提前到第二步并具體化為標明加速度，實踐證明效果不錯。

3.怎樣按順序畫實際受力圖？

受力分析只畫研究對象實際受到的力，不畫研究對象施加給其他物體的力。分析力時一般由易到難，由主動力到被動力。分析力的一般順序是：題目中已給的外力、重力、電場力、磁場力、彈力、摩擦力等。要讓學生理解各力的產(chǎn)生條件及各力的特點，這是受力分析的關鍵。

（1）重力：總是豎直向下，輕小物體一般不計重力，如輕繩、輕桿、輕滑輪等。電磁場中的帶點粒子重力一般遠小于電磁力而不計重力，但帶電微粒、塵埃、液滴一般要考慮重力。

（2）電場力：受力電荷要區(qū)分正、負，正電荷受力與該處電場同向，負電荷受力與該處電場反向。無論哪種電荷受力與該處電場線方向總在同一直線上（或相切）。

（3）磁場力：根據(jù)左手定則判斷方向，總與磁場方向垂直。分析磁場力時，建議在旁邊同時畫上磁場方向，以免磁場力方向畫錯。

（4）彈力：物體間接觸并發(fā)生彈性形變的部分有彈力作用，所以找彈力應先觀察研究對象與外界有多少個接觸處，N個接觸處，彈力個數(shù)最多N個。彈力方向與形變方向有關，擠壓類的彈力垂直接觸面，伸縮類的彈力沿著伸縮方向，如斜面支持力垂直斜面，繩的彈力沿繩拉的方向，而桿能同時存在擠壓形變和伸縮形變，所以桿的彈力方向不一定沿桿，也不一定垂直桿。

（5）摩擦力：只有發(fā)生了擠壓形變的地方才可能有摩擦力，所以摩擦力常在彈力分析后才進行分析。如果物體受N個擠壓類彈力，那最多有N個摩擦力?；瑒幽Σ亮Ψ较蚺c相對運動方向相反，這里的相對運動指研究對象相對于與之產(chǎn)生摩擦力的另一個物體的運動；靜摩擦力方向與相對運動趨勢方向相反，相對運動趨勢方向不易判斷時，?？山Y(jié)合加速度方向利用牛頓第二定律判斷靜摩擦力方向。

4.如何處理畫好的實際受力圖？

當各力及加速度方向在同一直線時，根據(jù)研究對象的加速度情況，列對應的受力平衡方程或牛頓第二定律方程式；當各力及加速度方向不在同一直線時，一般先取正交坐標系，再將力和加速度正交分解，然后列出對應的受力平衡方程或牛頓第二定律方程式。如果是不在同一直線的三力平衡問題，受力圖還常應用力的三角形法則，利用作圖法和幾何三角形知識處理。

三、受力分析創(chuàng)新教學的思考

有些教師教學中受力分析方法換來換去，或步驟隨意調(diào)整。雖然沒有什么錯誤，但也讓學生無所適從，長期未能形成自己的完整分析思路。受力分析的教學是貫穿整個高中三年的，不可能在高一就將這套方法完整呈現(xiàn)給學生，而要根據(jù)教學進度選擇性地呈現(xiàn)?！侗匦?》的《力與平衡》開始接觸受力分析及其應用，這一階段標注物體加速度，明確物體情景狀態(tài)，主要是判別研究對象是否屬于平衡狀態(tài)，而在講解《力與運動》時，就開始加入加速度方向判定。高一分析受力的順序要求一般是：題目中已給的外力、重力、彈力、摩擦力，高二講到選修3系列時，按順序畫實際受力開始加入電場力，之后又陸續(xù)加入安培力和洛倫茲力?？梢娺@套受力分析的方法應該在高一就搭好框架，然后在教學中不斷添磚加瓦，逐步完善。這種完善必須是在大框架不變的情況下的補充，這樣在長期的受力分析應用中學生才能樹立牢固的規(guī)范，將這套方法變成自己的應用習慣，提高受力分析效率，最終在高二下學期達至大成，受力分析在高三復習中不應再成為學生的疑難問題。