“探究共點力平衡條件”實驗的創(chuàng)新設計

張 鳴

安徽省合肥市第四中學(230000)

1 問題的提出

“共點力的平衡”是人教版普通高中教科書物理必修第1冊第3章第5節(jié)的內容[1],在原教材中作為牛頓第二定律應用的特例,新教材中獨立為一個新的章節(jié),豐富了“相互作用”這一章的內容,并作為本章的重難點,使得靜力學的體系更加完善,另外本節(jié)習得的思維方法,也給“牛頓運動定律”的學習奠定了基礎,有助于循序漸進地形成運動和相互作用觀念。

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》對“共點力的平衡”一節(jié)提出了具體要求:能用共點力的平衡條件分析生產生活中的問題[2],淡化了用“力的合成與分解”處理靜力學問題,因此學生對共點力平衡條件的掌握將至關重要。教材在“二力平衡”的基礎上,通過問題情境拓展到物體受多個共點力作用,啟發(fā)學生通過力的合成,最終結合二力平衡得出F合=0的結論,結合學生學情,為激發(fā)學生的求知欲和學習興趣,教師不僅要從理論上演繹推導,也要精心設計實驗加以驗證;不僅要利用傳統(tǒng)實驗測量儀器,比如彈簧測力計,也要利用DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)等新興實驗設備,讓學生直觀、形象地認識“共點力的平衡”實驗,發(fā)展學生的物理學科核心素養(yǎng)。

通過設計實驗方案,讓學生分組利用彈簧測力計探究“三力平衡的條件”,再利用力的傳感器演示探究“四力平衡的條件”,通過分組實驗和演示實驗培養(yǎng)學生的科學探究能力和創(chuàng)新能力,最后利用手機拍照確定力的方向再利用幾何畫板作出力的圖示,進行力的合成,這樣可以有效減小使用彈簧測力計帶來的實驗誤差。

2 核心素養(yǎng)目標

2.1 物理觀念

形成更加深入的平衡觀念,并能用平衡觀念解釋生活中的平衡現(xiàn)象。

2.2 科學思維

(1)具有使用已學知識和方法的意識,能夠運用平行四邊形定則在實驗研究中得出兩個力的合力;

(2)能使用共點力的平衡條件解決一些實際問題。

2.3 科學探究

(1)能正確實施實驗研究方案,準確使用實驗儀器、收集實驗數(shù)據(jù);

(2)具有分析論證的能力,會結合手上的工具處理實驗數(shù)據(jù),并作出解釋;

(3)具有合作與交流的意愿和能力,能夠準確表達實驗過程和結果。

2.4 科學態(tài)度與責任

(1)能正確認識平衡條件;

(2)能主動與他人合作進行分組活動。

3 實驗方案設計

3.1 學生分組實驗:探究“三力平衡的條件”

3.1.1 實驗準備

將3根細繩系于一點,繩子另一端打結形成繩套,如圖1所示;制作由等距(本實驗設置為1 cm)的同心圓構成的坐標紙,如圖2所示。

圖1 自制實驗繩套

圖2 自制坐標紙

3.1.2 實驗操作

步驟一:3個彈簧測力計互成一定角度拉動繩套,保持繩的結點靜止在坐標紙的O點,如圖3所示,記錄各個力的大小和方向,如圖4所示。

圖3 結點在三力作用下的平衡

圖4 記錄力的大小和方向

步驟二:作出3個力的力的圖示,利用平行四邊形法則求出其中2個力的合力,如圖5所示,再與第3個力比較大小和方向,如圖6所示。

圖5 拉力的圖示

圖6 比較2個力的合力與第3個力

步驟三:教師利用智慧平板拍照展示每一個小組的實驗結果,歸納總結物體在3個共點力作用下的平衡條件:合力為零。

3.1.3 實驗小結

彈簧測力計使用前應先較零,彈簧測力計的軸線方向要與細繩套在同一直線上,彈簧測力計要與桌面平行,拉力適中,力與力之間的夾角適當,但是實驗操作中發(fā)現(xiàn)彈簧測力計的示數(shù)往往不太穩(wěn)定且不夠精確,給實驗造成較大的誤差。

3.2 教師演示實驗:探究“四力平衡的條件”

3.2.1 實驗裝置

將4根細繩系于一點,繩子另一端打結形成繩套;用4塊釹磁鐵固定住4個力傳感器,便于在黑板展示。

3.2.2 實驗操作

步驟一:先對4個力傳感器進行調零。

步驟二:將4個力的傳感器的掛鉤連接在繩套末端,使結點在4個拉力的作用下處于靜止狀態(tài),調整拉力的方向使之沿繩套的方向,通過數(shù)據(jù)采集器和Logger Pro軟件,記錄4個傳感器的示數(shù)。

步驟三:通過手機正對裝置拍照記錄拉力的方向并上傳至電腦。

步驟四:利用幾何畫板插入背景從而確立力的方向,再作出力的圖示,利用幾何畫板自帶的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分別對力F1和F3進行合成以及對力F2和F4合成,比較F13和F24的大小和方向,如圖7所示,最后得出4個力作用下物體的平衡條件,即:任意兩個力的合力與另外兩個力的合力大小相等,方向相反。

圖7 用幾何畫板確定合力的大小和方向

3.2.3 實驗結論

通過傳感器精確地測量拉力的大小并進行多組實驗發(fā)現(xiàn),使用這種方法進行實驗相對誤差非常小,能夠精準達到高中物理實驗的要求。

4 針對該實驗設計的評價與總結

(1)本實驗設計是對教材內容的必要補充,目的是減少學生知識學習的跨度,當然針對不同學校的實際情況和課堂的時間安排,可以對上面的實驗進行取舍和改進,讓學生認識到如何對物理知識進行闡釋,激發(fā)學生學習物理的興趣。

(2)通過自制教具解決實際教學的困難,比如利用釹磁鐵對傳感器的固定,從而方便地進行演示實驗。

(3)利用手機和智慧平臺拍照上傳分享,將智能電子設備應用到高中物理教學中,讓學生感受到信息技術的發(fā)展帶來課堂的變革。

(4)將力的傳感器、數(shù)據(jù)采集器、Logger Pro軟件以及幾何畫板綜合起來使用,讓學生體驗科技發(fā)展使得教育技術得以更新,拓展了學生的視野。