人教版《第三章 相互作用—力》編寫說明

黃恕伯

摘 要：本文概括介紹普通高中新版人教版必修第一冊第三章的編寫說明，以使教師從核心素養(yǎng)的角度進行教學.

關鍵詞：核心素養(yǎng);編寫說明;相互作用;演繹推理

1 全章概述

從必修1教材全書的框架來看，必修1教材的主要內容是系統(tǒng)地幫助學生形成“運動與相互作用觀”.其教材框架包括三大塊如圖1所示.

第一塊學習運動的知識，包括第一章和第二章，學習質點運動的概念和規(guī)律，包括平衡（沒有加速度）和不平衡（有加速度）兩種情況;第二塊主要學習相互作用（力）的知識;第三塊為運動與力，即運動與相互作用的關系，學習在不同力的作用下質點運動的不同特點.本章主要是第二塊內容，這是它在形成運動與相互作用觀方面所起的結構性作用，也是本章在教材必修1中以至于整個高中物理課程中所處的重要地位.

這一章所包括的知識內容為：重力與彈力、摩擦力、牛頓第三定律、力的合成和分解、共點力的平衡條件.即課程標準必修課程的內容要求1.2.1和1.2.2的全部內容以及1.2.3中的牛頓第三定律.課程標準的相關具體要求如下：

1.2.1 認識重力、彈力與摩擦力.通過實驗，了解胡克定律.知道滑動摩擦和靜摩擦現(xiàn)象，能用動摩擦因數(shù)計算滑動摩擦力的大小.

1.2.2 通過實驗，了解力的合成與分解，知道矢量和標量.能用共點力的平衡條件分析生產(chǎn)生活中的問題.

1.2.3 理解牛頓運動定律，能用牛頓運動定律解釋生產(chǎn)生活中的有關現(xiàn)象、解決有關問題.

本章前四節(jié)課文主要為相互作用的內容，第五節(jié)課涉及運動與相互作用關系的知識，即質點在沒有加速度的運動情況下其相互作用的特點是合力等于零.教材框架如圖2所示.

本章第5節(jié)“共點力的平衡條件”是高中物理運動與相互作用關系的起始內容，高中物理的運動與相互作用觀的培養(yǎng)，從此拉開了大幕.本節(jié)學習平衡情況下的受力計算，將為下一章不平衡情況下的受力計算奠定知識內容和思維方法的基礎.

本章在學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)方面有以下功能.

（1）物理觀念.在這一章教學中，各知識內容都是圍繞建立運動與相互作用觀的線索來布局的，各知識內容在該線索中具有各自的功能.如圖3所示，“重力、彈力、摩擦力” “牛頓第三定律” 這兩節(jié)課的功能是使學生能對物體的受力作出正確的分析，是解決關于共點力的運動與相互作用問題的基礎環(huán)節(jié);在此之后的環(huán)節(jié)，就是建立相互作用各物理量之間的定量關系，即列出共點力平衡的計算式，“力的合成和分解” “共點力的平衡條件”這兩節(jié)課的功能就在于此.

每節(jié)課的教學設計，應該從這節(jié)課在這一章中的功能和地位來構思它的教學目標和教學內容.例如，力的合成和分解，其功能定位于“應用等效替換方法的受力計算工具”，教學中就不要拔高其要求，不要用力的合成和分解直接求解物體的受力問題.這樣的功能定位，不僅易于接受、節(jié)約時間，也大大減輕了學生的負擔，最重要的是規(guī)范了以“運動與相互作用”視角分析問題的思路.

（2）科學思維.本章具有大量科學推理的內容：本章學習了很多物理規(guī)律，如胡克定律、滑動摩擦力與動摩擦因數(shù)的關系、牛頓第三定律、平行四邊形定則、共點力的平衡條件等，這些物理規(guī)律為演繹推理提供了豐富的素材;本章還有不少物理結論是通過實驗形成的，如相同接觸面滑動摩擦力大小跟壓力大小的關系、彈簧彈力與形變量的關系、作用力和反作用力的關系、二力合成的平行四邊形定則等，都需要經(jīng)歷歸納推理的過程.以上這些知識，都是提升科學思維能力的載體.共點力是力的作用線相交于同一點的一組力，現(xiàn)實生活中存在很多力的作用點雖然不在同一點、但力矢量的延長線交于一點的實例，它們都是受共點力作用的物體，“將實際問題中的對象和過程轉換成所學的物理模型”，是課程標準關于模型建構的水平4要求，即等級性學業(yè)水平考試要求，把現(xiàn)實生活中的相關研究對象轉換成共點力作用物體模型，對提升學生的科學思維水平具有重要意義.

（3）科學探究.本章有兩個探究性學生實驗：“探究彈簧彈力與形變量的關系”和“探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律”.這兩個實驗在培養(yǎng)學生科學探究能力的具體要素上具有不同的特點.探究彈簧彈力與形變量的關系的實驗，主要側重于“解釋”，通過對實驗數(shù)據(jù)的處理和分析，學會利用物理圖像解釋證據(jù)，包括建立坐標系、設計標度、描點、擬合、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、陳述結論等.而探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律的實驗，還應側重“問題”要素，學會對問題的可能結論作出有根據(jù)的假設，根據(jù)合成的兩個力及其合力的矢量圖的平面位置關系，判斷它們可能具有平行四邊形的幾何關系，作出合力可能是平行四邊形的對角線的假設，進而通過作圖檢驗這個假設.發(fā)揮不同科學探究課題的不同特點，側重在有利于某個科學探究要素的特點上花費精力、細致深入，這是課堂內科學探究教學的重要原則.

（4）科學態(tài)度和責任.通過對滑動摩擦力的定量研究，通過對二力合成規(guī)律的探究以及作用力和反作用力關系的研究，逐步形成對科學的本質認識，體會物理學是基于人類有意識的探究而形成的對自然現(xiàn)象的描述與解釋，是一項建立在觀察和實驗基礎上的創(chuàng)造性工作.本章有多個學生實驗，應要求學生對實驗數(shù)據(jù)采取實事求是的態(tài)度，對偏離實驗預期的數(shù)據(jù)，也要如實記錄，然后分析是誤差的原因還是實驗操作的失誤.這一章聯(lián)系實際的內容很多，讓學生運用自己習得的知識正確解決生活和社會中的實際問題，有利于增強他們的成就感和責任感.

這一章的重點是學會運用運動與相互作用關系的視角來觀察物理問題.形成以“選擇研究對象”為起始步驟的共點力平衡問題的分析思路.這一章的難點是在真實情境中如何選定研究對象.不僅要有選擇研究對象的意識，還要具有選擇研究對象的能力，能使研究對象既涵蓋情境中的已知條件又包含需解決的問題，且符合共點力的模型.

課時安排建議：根據(jù)必修1全書的新授課時間為 36 課時計算，本章教學可以安排 9 課時.以下建議安排 8 課時（留 1 課時機動）.

第1節(jié) 重力和彈力 2課時

第2節(jié) 摩擦力 2課時

第3節(jié) 牛頓第三定律1課時

第4節(jié) 力的合成和分解 1課時

第5節(jié) 共點力的平衡2課時

2 具體說明

2.1 第1節(jié) 重力和彈力

（1）要全面了解一個力，不管是重力、彈力還是摩擦力，都應該知道以下幾個方面的內容：受力的對象是誰？施力物體是誰？產(chǎn)生原因是什么？大小、方向、作用點如何？力作用的效果是什么？對重力來說，由于初中已學習了以上部分的定性知識，如施力、受力物體，產(chǎn)生原因（因地球吸引），重力方向（豎直向下）等，而重力產(chǎn)生的效果（重力加速度）要學習牛頓第二定律以后才可能理解，因此，本節(jié)課關于重力的教學重點，應該在復習初中知識的基礎上側重講授關于重心的知識.了解重心的意義，知道典型的均勻幾何體的重心位置，知道非均勻物體的重心位置與質量的分布有關，會用二力平衡條件通過懸吊方法尋找物體重心的位置.

（2） 關于彈力的定義，教材指出：“發(fā)生形變的物體，要恢復原狀，對與它接觸的物體會產(chǎn)生力的作用，這種力叫作彈力”.按照這個定義，彈簧的彈力，是指阻礙彈簧恢復原狀的物體所受的力.因此，在探究彈簧彈力與形變量關系的實驗中（如圖4），彈簧彈力不是指彈簧所受的力，而是指彈簧作用在砝碼上的力.正因為如此，才能以砝碼為研究對象，通過二力平衡條件，得到彈簧彈力的大小等于砝碼重力，這是測量彈簧彈力大小的原理.

關于觀察彈力作用下的微小形變實驗.教材用的是觀察雙平面鏡反射光斑移動的方法，用激光作為投射光很容易完成這個實驗.還可以用硬質玻璃瓶裝水來演示，用手指壓玻璃瓶時，玻璃瓶的形變可以使瓶塞中的開口玻璃管內的水面高度發(fā)生變化，從中感受玻璃瓶的微小形變.

（3） 探究彈簧彈力與形變量關系的實驗，是課程標準所要求的學生實驗.這個實驗的“問題”和“證據(jù)”要素都是很簡單的，要培養(yǎng)學生的科學探究能力，這個實驗應該在“解釋”要素上花功夫：根據(jù)實驗目的（探究彈簧彈力與形變量關系）來確定圖象分析的自變量（形變量），從而把形變量確定為橫坐標軸，縱坐標軸為彈力;根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)，設計橫坐標軸和縱坐標軸的標度，使數(shù)據(jù)點既能合理滿坐標格又便于實驗數(shù)據(jù)的讀數(shù);然后描點、擬合、歸納數(shù)據(jù)特點，最后形成結論.利用這個實驗比較簡單的特點，把精力用在培養(yǎng)學生“解釋”能力上.

2.2 第2節(jié) 摩擦力

（1）滑動摩擦力.在初中已經(jīng)學習了關于滑動摩擦力的不少知識，學生對滑動摩擦力的意義、方向、影響因素等知識是知道的.高中應側重對滑動摩擦力與壓力的定量關系進行研究，構建動摩擦因數(shù)的概念.教材指出：“通過進一步的定量實驗，測量同一接觸面不同壓力下的滑動摩擦力大小，結果表明：滑動摩擦力的大小跟壓力的大小成正比.”教材原則性地陳述了實驗過程，沒有就實驗裝置和實驗操作做進一步說明，這是因為這個實驗在初中是做過的，為避免重復和節(jié)約篇幅的原因.但實施教學時，教師應該在課堂上進行定量實驗，通過實驗數(shù)據(jù)來形成結論.在得到動摩擦因數(shù)公式μ=FfFN以后，教材特地說了一段話：“Ff 和FN 是接觸面上木塊所受的兩個力，F(xiàn)f沿接觸面的方向，F(xiàn)N與接觸面垂直.”這段話說出了動摩擦因數(shù)的本質： μ 是接觸面同一物體所受兩個不同方向的力的比值.有了這種認識，對分析涉及滑動摩擦的共點力平衡問題和牛頓第二定律問題是很有幫助的.

（2）靜摩擦力.靜摩擦力是初中沒有深入討論的知識，關于靜摩擦力的高中新授課，要解決三個問題：第一是靜摩擦力的方向，教材指出：“靜摩擦力的方向總是跟物體相對運動趨勢的方向相反.”教學中如何解釋“相對運動趨勢”，需要有具體舉例，不能停留在文字理解上;第二是如何求解靜摩擦力的大小，教材通過一個實驗說明，靜摩擦力的大小隨著拉力的變化而變化，本節(jié)課在分析時，要讓學生認識這是用“二力平衡條件”來求解的，學完本章后，應認識靜摩擦力是用“共點力平衡條件”求解的，學完本書后，進一步認識靜摩擦力是用牛頓第二定律求解的，最后上升到是根據(jù)運動與相互作用的關系來求解的;第三是最大靜摩擦力的概念，要通過實驗讓學生了解在相同壓力下的最大靜摩擦力略大于滑動摩擦力（為以后有些問題取滑動摩擦力近似等于最大摩擦力奠定基礎），相同接觸面的最大靜摩擦力隨著壓力的增大而增大.

2.3 第3節(jié) 牛頓第三定律

教材在節(jié)首“問題”欄目中，以大人跟小孩掰手腕為例，提出作用力和反作用力是否相等的問題，隨后通過實驗進行論證，得到牛頓第三定律的結論，問題是解決了，但學生的疑惑不一定消除：既然作用力和反作用力大小相等，為什么掰手腕時大人能很輕易地壓倒小孩？教材最后有一個“拓展學習”，用兩個力傳感器互相勾住，觀察兩個力傳感器的受力讀數(shù)，在這個實驗中，可以模擬節(jié)首問題，一強大者和另一弱小者各握相互勾住的力傳感器，即使強大者輕易取勝，兩個力傳感器的讀數(shù)也是大小相等的，讓學生從視覺中感受到力所產(chǎn)生的效果不僅跟力的大小有關，也跟受力間物體的屬性有關.這時，還可以進一步讓學生觀察兩根彈簧對拉的情況：一根彈簧又粗又硬，另一根又細又軟，細軟的彈簧被拉長了很多，而粗硬的彈簧卻紋絲不動，以此作為對掰手腕問題的呼應.

在做如圖5所示的牛頓第三定律實驗時，關于作用力和反作用力的方向，需要做如下交代：單獨用手向右拉左邊力傳感器時，看到圖中一條圖像1，再單獨用手向左拉右邊的力傳感器時，看到圖中另一條負值的圖像2，如果實驗出現(xiàn)這樣的正負圖像，說明這是兩個相反方向的作用力，然后進行實驗.實驗應該在不同條件下進行，說明在任意情況下（無論是運動還是靜止、勻速還是加速、主動還是被動）作用力和反作用力都是相等的.

關于物體受力分析的教學，教材比較重視對涉及研究對象的受力，進行一對、一對地分析，先分析共有幾對作用力和反作用力，再確認每一對相互作用的力中哪個力是研究對象所受的.這樣做的好處是，對施力物體和受力物體的概念比較清晰，體會任何一個力都有一個施力物體和受力物體，任何力也只有一個施力物體和一個受力物體，認識一個力有兩個施力物體的情況是不存在的，一個力有兩個受力物體的情況也是不存在的，消除“A 通過 B 作用 C” 這種糊涂概念.同時，對“物體受力分析”的“受力”二字，認識更加深刻，理解分析的是受力，而不是施力.

一個力的反作用力和這個力的平衡力，是兩個不同的力，學生很容易把兩者混淆起來，教材為此做了詳細說明.教學中需要通過實例來對比兩者的相同和區(qū)別.它們的相同之處是，某力的反作用力和該力的平衡力，其大小、方向、作用線是完全一樣的，因此容易混淆.它們的區(qū)別，應該從作用對象、適用規(guī)律、力的種類三個方面來認識：作用力和反作用力分別作用在兩個物體上，而一個力和它的平衡力則是作用在同一物體上的;研究作用力和反作用力關系用的是牛頓第三定律，而研究一個力與其平衡力的關系用的是二力平衡條件;作用力和反作用力必定是同一種類的力，一個力和它的平衡力可以不是相同種類的力.

2.4 第4節(jié) 力的合成和分解

在以往的高中物理教學中，力的合成和力的分解一共是用兩課時完成的，而且學生感到力的分解很難，很多老師用“根據(jù)力的作用效果來判斷分力的方向”的說法來突破這個難點.實際上，力的合成和分解不是用來直接求解物體受力的，它僅僅是本章用共點力平衡條件解決問題的一個計算步驟，只是運用等效替換的思想，把一個假想的力替換掉問題中兩個實際的力（力的合成），或者用兩個假想的力替換問題中一個實際的力（力的分解），以達到便于計算的目的.如果僅僅要實現(xiàn)這個等效替換的目的，是不困難的，這就是本教材中把力的合成和力的分解合并成一節(jié)課的原因.學生只要會運用平行四邊形定則進行合成和分解就可以，在這節(jié)課中，分力的方向由題目直接告知，這不僅使教學的難度大大降低，而且規(guī)范了力學的解題思維，有利于學生形成了科學的分析思路.

在構建合力和分力的概念時，要強調課文中“假設”兩個字.力的合成時，合力是假設的，不是真實的力;在力的分解時，分力是假設的，不是真實的力.在用平行四邊形定則進行力的合成時，建議合力的箭頭畫成虛線，在力的分解時，建議分力畫成虛線.將來在列共點力平衡方程或牛頓第二定律方程時，是用虛線力來取代實線力，不能兩者都計算，要體現(xiàn)“替換”的思想.

探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律，是本節(jié)課的學生實驗.在這個實驗中，實驗假設以及對假設的檢驗，是科學探究的重要環(huán)節(jié).應該讓學生提出假設，實驗中使 F1 和 F2 的共同作用和 F 的單獨作用效果相同之后，引導學生從同一點作出F1、F2 和 F 三個矢量，啟發(fā)學生觀察這三個矢量，猜想這三個矢量可能會組成一個怎樣的幾何圖形？如果一時難以判斷，可以引導學生思考：假設保持 F1 不變的情況下增大 F2，F(xiàn) 矢量將會如何變化，讓學生從中思考出平行四邊形的形狀而作出假設.在檢驗假設時，有兩種方案：一是把三個矢量箭頭的末端連接起來，檢驗組成的形狀是不是平行四邊形？二是按照平行四邊形法則求出 F1、F2 的合力理論值F′，看 F′跟 F 究竟有多大的差別？教學中不應該采用方案一、而應該采用方案二來檢驗，因為觀察實驗值和理論值的差別，是實驗檢驗的普遍法則，這里滲透著誤差的概念.

矢量的概念，是逐步滲透的，到了這節(jié)課，矢量和標量的概念才算有了定論.同一物理量的相加，是用代數(shù)的方法求解（求和）還是用幾何的方法求解（平行四邊形定則），是區(qū)別標量和矢量的重要標準.雖然在一維坐標上矢量的計算方法和標量相同，但矢量正負號的空間方向性含義跟標量正負號意義仍然是不同的.

2.5 第5節(jié) 共點力的平衡

共點力是本節(jié)課涉及到的一個重要概念.這個概念的定義是在上一節(jié)課提出的，上節(jié)課正文一開始就指出：“幾個力如果都作用在物體的同一點，或者它們的作用線相交于一點，這幾個力叫作共點力”.要強調的是后面 “或者它們的作用線相交于一點” 這句話，本節(jié)課節(jié)首“問題”的甲圖，就是這種情況.由于共點力是本課的重要概念，對作用點不在同一點而力的

作用線相交于一點的情況還應該列舉一些實例予以強化.對于三力平衡的物體，如果三力不平行，這三個力的作用線必定相交于一點，這三個力一定是共點力，對此可以引導學生用初中學過的二力平衡條件和上節(jié)課學的力的合成知識進行論證.

共點力的平衡條件是合力為零，教材是運用所學知識通過推理得到這個結論的.推理是高中物理課程中需要提升的重要素養(yǎng)，有的老師在教學中用科學探究實驗來代替演繹推理，不一定是恰當?shù)?

這節(jié)課的重點，在于經(jīng)歷用共點力平衡條件解決實際問題的過程，體會用共點力平衡條件解決問題的思路，會用運動與相互作用的關系來觀察實際問題，知道處于平衡狀態(tài)下的物體，其相互作用的特點是合力為零，進而會運用這個規(guī)律形成有邏輯的思路，解決實際問題.具體來說，這個解決問題的思路是：會自覺地選擇一個研究對象;分析研究對象所受的全部外力;用數(shù)學工具來描述這些力之間的關系，即列出包括未知量在內的合力等于零的方程，這其中包括建立恰當?shù)淖鴺讼岛瓦M行力的合成和分解的過程;計算出方程的解之后討論解的合理性及其實際意義.

要完成上述教學目標，其教學方法大致有兩種：一是演繹;二是歸納.用演繹的方法實施教學時，通常是先概述用共點力平衡條件解決問題時有哪幾個步驟，解釋這些步驟的含義，再把這個結論演繹到具體的實例中去，用例題來說明怎么操作，用練習題讓學生仿效和操練.這種做法很流行，但不可取.其缺陷是把方法當成知識講，在這樣教學的操作下，學生盡管能理解這種解決問題的思路，但并不具有應用這種思路解決問題的意識.因為意識來源于體驗，而不是來源于知識.因此，要實現(xiàn)上述目標，建議采用“歸納”的方法，先讓學生獲得解決問題的體驗，在解決各種不同情境問題的體驗中獲得感性認識，領悟這些問題解決過程的特點，然后再歸納它們的共同之處，使其成為今后解決相關問題的思維指南.本節(jié)課文把這種解決問題的思路滲透在各個例題的解答之中，這是處于“獲得體驗、領悟特點”的階段.這是形成運動與相互作用觀的基礎.當學生完成了下一章牛頓第二定律的學習后，這種思路會更自覺、更成熟，逐漸演變?yōu)榻鉀Q問題的相關觀念.