基于核心素養(yǎng)的“共點(diǎn)力的平衡”教學(xué)設(shè)計(jì)

覃華化

(廣西壯族自治區(qū)柳州市民族高中，廣西 柳州 545006)

1 引言

“共點(diǎn)力的平衡”是形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念的重要知識(shí)載體，物體平衡是一種特殊條件(合力為0)下的特殊運(yùn)動(dòng)(加速度為0)。共點(diǎn)力平衡的條件在運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念形成過(guò)程中具有承上啟下的作用，承上是在初中二力平衡基礎(chǔ)上展開(kāi)，進(jìn)一步拓展和延伸；啟下是后續(xù)學(xué)習(xí)中深入研究物體所受合力不為0時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的基礎(chǔ)。通過(guò)本節(jié)的學(xué)習(xí)，初步培養(yǎng)學(xué)生模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)探究、科學(xué)論證等能力。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)目標(biāo)

(1) 物理觀念：初步形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念，能從平衡的視角解釋簡(jiǎn)單的力學(xué)現(xiàn)象。

(2) 科學(xué)思維：引導(dǎo)學(xué)生抓住主要因素，學(xué)習(xí)構(gòu)建物理模型的科學(xué)思維方法。

(3) 科學(xué)探究：能基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋?zhuān)瑫r(shí)對(duì)科學(xué)探究的過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估。

(4) 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：能用共點(diǎn)力平衡的條件分析生產(chǎn)生活中的實(shí)際問(wèn)題。

2.2 教學(xué)過(guò)程

2.2.1 教學(xué)引入

播放視頻，展示“平衡達(dá)人”擺弄各種物體的平衡造型，展現(xiàn)生活中各種有趣的平衡現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，引出平衡狀態(tài)的概念。

2.2.2 平衡狀態(tài)

物體處于靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)叫作平衡狀態(tài)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)特征為：v保持不變，即a=0，并且指出物理問(wèn)題中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)物體“緩慢移動(dòng)”，也可以視為物體處于平衡狀態(tài)。處于平衡狀態(tài)的物體受力情況如何？

2.2.3 探究活動(dòng)

讓學(xué)生三至四人為小組，同時(shí)拉動(dòng)紙片上附有的三根細(xì)繩，讓紙片處于平衡狀態(tài)，利用竹簽沿著細(xì)繩方向延伸，讓學(xué)生觀察三根竹簽是否相交于同一點(diǎn)，大部分同學(xué)都能作出三根竹簽交于一點(diǎn)(圖1)。

圖1

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生自己體驗(yàn)共點(diǎn)力概念的過(guò)程，教師進(jìn)行簡(jiǎn)單總結(jié)，建構(gòu)物理概念，同時(shí)引出還有不相交于一點(diǎn)的力，如圖2所示，三根竹簽相互平行，為非共點(diǎn)力。

圖2

2.2.4 共點(diǎn)力

幾個(gè)力如果都作用在物體的同一點(diǎn)，或者它們的作用線相交于一點(diǎn)，這幾個(gè)力叫作共點(diǎn)力。除了共點(diǎn)力，還有一部分力的作用線是平行的，作用線平行的力叫作平行力。高中物理中主要研究共點(diǎn)力作用下的平衡狀態(tài)。受共點(diǎn)力作用的物體在什么條件下才會(huì)保持平衡呢？

2.2.5 共點(diǎn)力的平衡條件

回顧二力平衡知識(shí)，作用在同一物體上的兩個(gè)力，大小相等、方向相反，并且作用在同一條直線上，即合力為零?；貞?yīng)前面播放的視頻，對(duì)擺弄的平衡物體進(jìn)行受力分析，加深對(duì)二力平衡條件的理解。

進(jìn)而拓展到三力平衡，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)前面學(xué)習(xí)的力的合成，把其中兩個(gè)力進(jìn)行合成，通過(guò)合力等效替代兩個(gè)分力，把三力平衡等效為二力平衡，即可得出三力平衡的條件：F合=0，兩個(gè)力的合力與第三個(gè)力等大、反向、共線。

再拓展到四力平衡，同理根據(jù)力的合成，把四力平衡等效為三力平衡，再等效為二力平衡，即可得出四力平衡的條件：F合=0，且四力之間的關(guān)系是三個(gè)力的合力與第四個(gè)力等大、反向、共線。

最后拓展到多力平衡，同理，最終都等效為二力平衡，即可得出多力平衡的條件：F合=0。

設(shè)計(jì)意圖：基于初中二力平衡知識(shí)，進(jìn)一步拓展和延伸，進(jìn)行理論探究，加深理解等效替代法，層層遞進(jìn)，歸納總結(jié)得出共點(diǎn)力的平衡條件。

2.2.6 共點(diǎn)力平衡條件的應(yīng)用

例1：生活中常用一根水平繩拉著懸吊重物的繩索來(lái)改變或固定懸吊物的位置。如圖3所示，G是被細(xì)繩懸吊的重物，其O點(diǎn)被一水平繩BO牽引，使懸繩AO段和豎直方向成θ=60°。若懸吊物的質(zhì)量m=0.2 kg，則細(xì)繩AO和水平繩BO所受的拉力各等于多少？

圖3

設(shè)計(jì)意圖：將教材中例題加上具體數(shù)據(jù)，讓學(xué)生應(yīng)用三力平衡的條件處理問(wèn)題并且驗(yàn)證。

首先，引導(dǎo)學(xué)生明確研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析，處理三力平衡問(wèn)題時(shí)通常用合成法(圖4)。

圖4

然后，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證學(xué)生運(yùn)算的結(jié)果，如圖5所示，利用兩個(gè)力傳感器和砝碼創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，將鉤碼掛到圖3中重物的位置，觀察力傳感器的讀數(shù)與學(xué)生運(yùn)算結(jié)果是否一致，實(shí)現(xiàn)理論探究與實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合。

圖5

例2：某幼兒園要在空地上做一個(gè)滑梯，如圖6所示，根據(jù)空地的大小，滑梯的水平跨度確定為6 m?；搴蛢和澚现g的動(dòng)摩擦因數(shù)取0.4，為使兒童在滑梯游戲時(shí)能在滑板上滑下，滑梯至少要多高？

圖6

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生除了用合成法，還可用分解法，讓學(xué)生嘗試使用分解法處理，為學(xué)習(xí)正交分解法做鋪墊。

先引導(dǎo)學(xué)生抓住主要因素，忽略次要因素，構(gòu)建物理模型，將滑梯抽象成斜面模型(圖7)。

圖7

然后，通過(guò)斜面模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，當(dāng)斜面傾角較小時(shí)，槽碼不能滑至底部，當(dāng)斜面傾角較大時(shí)，槽碼到達(dá)底部的速度過(guò)大，兒童玩滑梯時(shí)有安全隱患，要控制好斜面傾角。

然后，讓學(xué)生明確研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析，引導(dǎo)學(xué)生嘗試分解法處理問(wèn)題。根據(jù)前面學(xué)習(xí)可知，如果沒(méi)有任何限制，一個(gè)力可以分解成無(wú)數(shù)個(gè)分力，因此需要根據(jù)力的作用效果進(jìn)行分解。

創(chuàng)設(shè)如圖8所示的真實(shí)情境，在斜面上放上兩塊海綿，將重物放在上面，看到兩塊海綿都發(fā)生了形變，讓學(xué)生體驗(yàn)重力在斜面上的作用效果分別是沿著斜面向下和垂直斜面向下。如圖9所示，將重力進(jìn)行分解，結(jié)合三角函數(shù)可求出斜面傾角和滑梯的高度。

圖8

圖9

最后，總結(jié)歸納分解法，發(fā)現(xiàn)將重力分解之后，得出的四個(gè)力剛好兩兩在一條直線上，且相互垂直，進(jìn)而引出正交分解法。正交分解法的要點(diǎn)是在建立直角坐標(biāo)系之后，只需將不在坐標(biāo)軸的力分解到坐標(biāo)軸上，而且當(dāng)出現(xiàn)四個(gè)力或更多力時(shí)均適用。

3 結(jié)語(yǔ)

新課改的要求就是要基于的核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求去思考問(wèn)題，讓學(xué)生在物理概念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度四個(gè)方面得到有效提升。高中物理教師通過(guò)聯(lián)系生活、引發(fā)認(rèn)知沖突、基于實(shí)驗(yàn)、激活知識(shí)等途徑創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，通過(guò)真實(shí)的情境教學(xué)，引導(dǎo)、激發(fā)學(xué)生深度思考，把物理知識(shí)和實(shí)際情境緊密聯(lián)系起來(lái)，讓學(xué)生在物理情境中思考問(wèn)題，在思考問(wèn)題中掌握知識(shí)，在掌握知識(shí)中促進(jìn)學(xué)生必備品格和關(guān)鍵能力的形成，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)。