《探究三力平衡的條件》教學設計

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

關鍵詞：探究；三力；平衡

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

本節課是在學生學習高一“人教版”物理第三章第四節《力的合成》后開設的學生實驗探究課。

授課對象：浙江省永康市第二中學高一（3）班學生。

地點：永康二中實驗室。

1 教學目標

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）學會應用實驗的辦法探究物體在三力作用下平衡的規律。

（3）會對實驗誤差進行分析。

（4）應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，體會科學探究——提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據、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、力的圖示等科學方法。

1.3 情感、態度與價值觀

（1）通過合作探究，體會合作的重要性，學會合作，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 教學重難點

2.1 重點

三力平衡的條件。

2.2 難點

學生做三力平衡時候遇到的具體問題。

3 教學用具

白紙2張、硬紙片1張、3條細線、彈簧測力計3只、小鐵釘1枚、量角器。

4 教學方法

本課通過演示實驗，巧設物理情景，引發學生的學習動機，培養學生學習的主動性；由學生的分組實驗，激發學習動機，培養學生學習的積極性；最后再通過實際問題，深化學生的學習動機，培養學生的創造性。

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

5 課堂實錄

5.1 教學回顧

師：同學們，今天很高興能在實驗室里和大家一起來探討問題。

首先，我們來看一個現象。同學們的桌上放有較多的實驗器材，它們現在都處于靜止狀態。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，處于靜止狀態時的規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，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

5.2.1 平衡的概念

我們將物體處于靜止狀態或勻速直線運動狀態稱為平衡狀態。

5.2.2 探尋規律

（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？怎樣探究這個規律呢？

生：直覺是應該共面的。因為不共面，物體要翻轉起來。

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，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。如果用三條細繩拉硬紙片，我們就可以通過觀察細繩在不在同面來判定物體受到三力作用時是否需要共面。

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

④自主探究

學生活動：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，以備穿細線之用，如圖1所示。

生：小組實驗。三人拉細繩，另一人判斷。

⑤交流匯報

生：得出結論，確實應該共面。

（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。可能是一個。

③研究方案

分組討論、總結方法。

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處用力拉動三條細線，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。重復上述步驟多次。

④自主探究

生實驗活動……

教師巡視，發現有的學生手拉細繩時，手移動了，導致畫圖不準確，提醒手應該靠在桌上。

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系？

師：平衡時，物體受到的三力大小應該是什么關系？根據以下各圖，我們從特殊到一般吧。小組內先合作再分工。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）。靠近白紙位置水平拉動三個彈簧測力計，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。重復上述操作。畫出三力的圖示。探究F、F、F三力的大小關系。

③三彈簧測力計之間夾角任意，重復上述操作。

師提醒：要正確使用彈簧測力計，正確讀數。作圖時利用好量角器。

學生組內分工合作，進行實驗活動……

學生匯報。

生：互成120°時，三彈簧測力計示數為1.5N，1.5N，1.5N。得出結論是：三力大小相等。

學生作品展示。

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，還是可以近似認為是相等的。

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，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：我們現在能否下個定論，那就是物體受到三力作用，處于平衡狀態，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 應用推廣

拱券結構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構的典型建筑。拱券結構的特點是利用石塊的楔形結構，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）。

現有六塊大小、形狀、質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 教學反思

物體處于三力作用而平衡狀態，各力之間的關系，在本設計中使用的是實驗法進行探究。在以往的教學中；我們經常安排習題課，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，根據題意列方程求解；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。本設計使用實驗法進行探究，讓學生有切身的實驗體會，這是其他方法所不能及的。本節課是規律的探究課，呈現在學生面前的是現象、問題，而不是結論。因此，本節課的教學沒有要求學生預習。面對新現象，新問題，且沒有唯一固定的答案，學生有濃厚的探究欲望，為其思維的發散提供了較大的空間。從另外一個角度講，本節內容對數學運算、物理理論要求不高，適當地又降低了學習難度，選擇探究式教學是最佳的途徑。探究式教學重視的是探究的過程和方法而不是結論。探究過程是產生創造思維的溫床。本節課以學生為主，讓學生實驗，得出結論，驗證結論等等，教師只起引導和組織的作用，這樣不僅能讓學生對物體處于三力作用而平衡的條件有深刻的理解，而且也培養了學生實驗操作技能以及分析、歸納、概括、總結等邏輯思維能力。

參考文獻：

[1]步國平.《力的合成》教學設計[J].物理教學探討，2009，（1）：27.

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

（欄目編輯 鄧磊）