妙用科學實驗箱　提高物理教學有效性——以“力的分解”為例

李正德

(南京大學附屬中學，江蘇　南京　210008)

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妙用科學實驗箱提高物理教學有效性——以“力的分解”為例

李正德

(南京大學附屬中學，江蘇南京210008)

便攜式科學實驗箱將多個實驗器材分門別類集于數十個箱子中，使實驗器材模塊化，既減少了老師的工作量，又方便學生使用.實驗箱內一些拓展性、開放性的器材讓學生在輕松氛圍中掌握知識，激發學習興趣，被學生稱為實驗課的“百寶箱”.筆者在“力的分解”教學中，利用便攜式科學實驗箱，讓學生通過動手，感受力產生的實際效果，掌握按效果分解力的一般步驟.

實驗箱；探究；力的分解

便攜式科學實驗箱將多個實驗器材分門別類集于數十個箱子中，使實驗器材模塊化，既減少了老師的工作量，又方便學生使用.這套實驗箱以探究為核心，注重探究的過程，提高學生學習的樂趣，增強科學探究的能力，在獲取科學知識的同時，養成尊重事實、善于質疑的科學態度.

探究性教學是學生在教師的指導下，選擇并確定研究的課題，用類似科學研究的方式，主動獲取知識、應用知識，解決問題，具有自主性、開放性、實踐性、探究性的特點.利用科學實驗箱進行探究性學習，更能充分展現學生各方面的特長，也便于多元評價的進行.通過實際問題的解決過程，尋找教與學的切入點，把方法的獲得、能力的提高融入到獲取知識的過程中，將學生下意識運用到的科學方法和良好的思維脈絡展露出來，通過教師的引導以及合理的歸納與總結，將支離破碎的知識和隱含的科學方法有機結合起來，讓學生在頓悟中達到心理深層次的成功體驗，從而獲得情感上的滿足.課堂是開展研究性學習的主渠道，我校引進了科學實驗箱，使研究性學習從課堂的創新做起，筆者以“探究力的分解”為例，介紹體會.

1　教材和學情分析

“力的分解”選自《普通高中課程標準實驗教科書物理必修1》，旨在進一步研究合力和分力，探究怎樣將一個力進行分解.因此，本活動意在鞏固合力和力的合成的知識，解決學生心中對合力、分力之間關系的疑惑，同時提高學生的實驗探究以及分析能力.

通過合力、力的合成的知識學習，學生們已經知道合力、分力、力的合成和平行四邊形定則等知識，隨著學習的深入，學生對合力分力之間關系的興趣很濃，求知欲望強烈.

2　教學目標

2.1知識與技能

(1) 理解分力及力的分解的概念.

(2) 理解力的分解與力的合成互為逆運算，且都遵守力的平行四邊形定則.

(3) 掌握按力的作用效果進行分解的一般步驟，學會判斷一個力產生的實際效果.

(4) 知道合力和分力之間的大小關系.

2.2過程與方法

(1) 設計游戲，讓學生感受較小的力能夠產生較大的分力，激發學生的學習興趣.

(2) 通過演示實驗，讓學生觀察兩分力和合力產生的效果相同，滲透“等效替代”的思維方法.

(3) 利用便攜式科學實驗箱，讓學生動手感受力產生的實際效果，掌握按效果分解力的一般步驟.

2.3情感、態度、價值觀

(1) 培養學生的觀察能力、實驗能力和強烈的科學探究意識.

(2) 力的合成和分解符合對立統一規律，通過聯系實際培養學生研究周圍事物的良好思維習慣.

3　教學設計思路

以生活現象為基礎，通過探究，建立分力、力的分解概念.利用便攜式科學實驗箱從等效的角度，根據實驗結論，通過分析、比較分力的作用效果，歸納總結得出力的分解遵循平行四邊形定則.通過對實際問題的分析、討論，總結按實際效果分解力的思路.

本設計要突出的重點是分力、力的分解的概念和利用平行四邊形定則進行力的分解.從生活中的常見現象入手，利用便攜式科學實驗箱進行演示實驗、學生分組實驗，結合學生的親身感受，從等效性的角度，通過分析、推理，建立分力和力的分解的概念，結合DIS學生分組實驗，得出力的分解同樣遵循平行四邊形定則.

本設計要突破的難點是：通過實驗探究，知道按實際作用效果分解力.教學中結合簡單實例，利用便攜式科學實驗箱，進行實驗演示，把抽象的問題形象化，根據具體情況，分析力作用的實際效果，按實際效果分解力，然后從簡單問題中歸納出規律，并予以推廣.

本設計強調學生的主動參與，重視概念、規律的形成過程，關注科學方法的教育，重視學生合作意識和能力的培養.

4　探究教學的流程

4.1創設情景，導入課題，提出問題

師：通過合力、力的合成的知識學習，同學們已經知道什么是合力、分力、力的合成和平行四邊形定則等，了解分力和合力之間的關系對于解決力學問題是至關重要的，下面請同學們觀看一個情景.

學生活動：請兩位男生分別用力拉住長繩的一端，立正站立，一位女生垂直拉長繩的中點.當兩男生相距較近時，女生拉不動兩位男生，當兩男生相距較遠時，女生卻能夠拉動兩位男生.

4.2結合課堂情景，進行實驗探究

演示實驗1：先用1串鉤碼(5個)將一端固定的橡皮條從E點豎直拉伸到O點，然后用2串鉤碼(分別為4個和3個)，通過定滑輪互成角度地將橡皮條拉到同一點O.

總結：如果幾個力共同作用產生的效果與一個力作用產生的效果相同,那么這幾個力就叫做那一個力的分力，這一個力就叫做那幾個力的合力.

師：已知分力求合力，這個過程叫力的合成，前面已經學過.已知合力求分力的過程叫做力的分解，就是我們今天要學習的內容.力的合成遵守平行四邊形定則，力的分解是否也遵守平行四邊形定則？

生：力的分解應該也遵守平行四邊形定則，因為力的分解是力的合成的逆過程.

探究1：力的分解是否也遵守平行四邊形定則？

作圖證明：在演示實驗1中，用鉤碼的個數表示力的相對大小，作出合力的圖示，以此為對角線，兩分力方向為一組鄰邊，作平行四邊形.在同一標度下將兩鄰邊長度換算成力的大小，經換算發現恰好與兩分力大小相等.也就是說，如果用對角線來表示合力，那么這一組鄰邊就表示兩分力，從而證明了力的分解遵守平行四邊形定則.

引導學生推理得出：力的分解與力的合成互為逆運算.

師：不加限制條件，一個力可分解為無數組不同的分力.在實際問題中,一個力要怎樣分解?

演示實驗2：用斜向上的力拉放在臺秤上重物(如圖1)，觀察平板臺秤示數的變化.

師：臺秤示數如何變化？這說明什么？

生：斜向上的拉力產生兩個作用效果：水平向前拉物體，豎直向上提物體.我們可用兩個力來等效替代這一個力，兩力共同作用的效果和F作用的效果相同，這兩個力就是F的分力.在實際問題中，力產生的作用效果往往是確定的，通過分析可以找出其作用效果，從而確定兩分力的方向，再來進行分解，就可以得到唯一確定的解.

師：按力的作用效果分解力的關鍵是要確定一個力產生的實際效果.如何確定一個力產生的實際效果?

如圖2所示，靜止在斜面上的物體所受重力產生怎樣的作用效果？如何分解？

演示實驗3：利用科學實驗箱，將重物放在粘有海綿的斜面上，物體被垂直于斜面的擋板(表面粘有海綿)擋住而靜止在斜面上，讓同學們觀察放上重物前后海綿的變化情況.

師：如圖3所示，放上重物后，海綿發生了怎樣的變化？這說明什么？

生：重力產生兩個作用效果：一是使物體垂直斜面向下壓斜面，一是使物體垂直擋板向下壓擋板.根據此效果確定兩分力的方向，進行分解.

驗證實驗：讓學生利用便攜式科學實驗箱和DIS傳感器，驗證將重力沿垂直斜面向下和垂直擋板向下兩個方向分解與實際產生的作用效果是否相同.

如圖4所示，斜面上的物體的重力可分解為沿斜面向下的分力和垂直斜面向下的分力，有：F1=Fsinθ，F2=Fcosθ.取不同θ角值，將F1、F2的值填入表中，分析數據，驗證理論.

實驗結論：重力產生的效果一是使物體垂直斜面向下壓斜面，二是使物體垂直擋板向下壓擋板.

引導學生通過上述討論歸納力的分解步驟：

(1) 根據力的作用效果確定兩個分力的方向.

(2) 根據已知力和兩個分力方向作平行四邊形.

(3) 根據平行四邊形確定分力的大小和方向.

(4) 根據三角形知識求分力的大小.

實例分析：如圖5所示，作用在三角形支架上的拉力產生怎樣的作用效果？如何分解？

學生活動：分發便攜式科學實驗箱的儀器，讓學生感受三角形支架上拉力F產生的作用效果(如圖6).

師：手的哪些部位有感覺？這說明什么？

圖7

演示實驗4：利用便攜式科學實驗箱的儀器演示實驗過程，讓同學們觀察三角形支架上的斜梁和橫梁的長度怎樣變化.如圖7所示，作用在三角形支架上的拉力產生兩個效果：一是沿斜梁斜向下拉斜梁(使斜梁伸長)，二是沿橫梁向內壓橫梁(使橫梁縮短).

師：本節課開始所做游戲中女生的拉力產生了什么效果？如何分解？

生：女生的拉力產生兩個效果：分別沿兩段繩子的延長線方向拉兩段繩子

師：從游戲中可提出以下探究問題：合力一定，兩等大分力如何隨它們之間的夾角變化而變化？

圖8

探究2：如圖8所示，請兩位學生利用便攜式科學實驗箱和DIS實驗系統，用兩個力傳感器分別連接繩套，繩子的中點掛有鉤碼.保持掛鉤碼的繩子豎直，改變兩段繩子間的夾角，讓學生觀察DIS力傳感器的示數的變化，并分析其中原因.

合力一定時，分力隨夾角增大而增大.當θ=120°時，分力=合力；當θ>120°時，分力>合力；當θ<120°時，分力<合力.

由此可解釋原因：當兩男生相距較遠(θ>120°)時，女生較小的力能產生兩個較大的分力，從而拉動兩位男生.

4.3學以致用

師：汽車陷入野外樹林里的泥坑中，司機手中只有一根長繩，請想辦法幫司機把車拉出來.

生：用一根繩子兩端分別連接大樹和汽車，司機從中間可以拉動汽車，理論依據是：合力一定時，分力隨夾角增大而增大.

5　小結

教學從一個有趣的游戲開始，激發了學生的興趣，利用科學實驗箱，通過實驗探究，引導學生分析得出一個力所產生的作用效果，從而確定分力的方向，再根據力的平行四邊形定則來進行力的分解，這是分解力的一般方法.

古人云：“學起于思，思起于疑.”科學家愛因斯坦也曾說：“提出一個問題，往往比解決一個問題更重要.因為解決一個問題往往是一個教學技巧而已，而提出一個新問題，新的可能性，從新的角度看舊問題，都要有創造性的想象力.”創新往往是從質疑開始的，本節課教學通過問題的提出，利用便攜式科學實驗箱讓學生們進行探究，結合生活實例，提出解決辦法，以激發學生的學習興趣和求知欲，起到事半功倍的效果.教學中利用便攜式科學實驗箱，設計探究實驗，引導學生由感性認識上升到理性認識，從而培養學生科學思維，為他們今后的發展奠定基礎.