開發課堂實驗 突破教學難點①
——以力的動態平衡類問題為例

張飛翔

(江蘇省無錫市第一中學，江蘇 無錫 214031)

在高中物理教學中，學生總會對一些問題在理解上感到困難。教師應根據以學定教的理念，在實際教學中，需要認真思考更好地幫助學生突破這些難點的途徑。課程標準要求教師要通過多樣化的教學方式，利用現代信息技術，引導學生理解物理學的本質。這就要求教師應從學生的認知規律出發，不拘泥于思維定勢，不能采用一成不變的教學模式。例如在涉及力的動態平衡問題時，學生普遍感到力不從心，難以把握動態變化中各力的制約關系。我們在教學實踐中利用數字化實驗系統(DIS)設計相關實驗，實現思維的可視化，通過形象生動的實驗使學生直觀感受到力的動態變化的本質，有效突破了這一教學難點。

例1:如圖1所示，用兩根繩子系住一重物，繩OA與天花板夾角θ不變，當用手拉住繩OB的B端，使繩由水平緩慢向豎直方向移動過程中，OA、OB繩所受拉力如何變化？

圖1

解析：傳統教學中先對小球在繩子OB處于水平位置時進行受力分析，如圖2所示，通過這一靜態分析，得出各力之間的制約關系，再根據動態變化中，確定不變量、隨著繩方向的變化(角度α)而變化的量，進而根據數學分析出對應力的變化情況。

圖2

教學中這樣處理，雖然條理清楚，但不太直觀，運算繁瑣，數學要求高，當學生遇到更難的動態力的平衡問題時，三角函數運算要求更加高，大部分學生難以掌握。

因此在實際教學中多數情況均采用作圖法，即用矢量圖的動態作圖來求解，如圖3所示，由于OB繩移動過程中，兩個繩的合力大小不變，始終等于重物所受重力、方向豎直向上。而且OA繩與豎直方向夾角θ始終不變，這樣可以把動態過程用圖3中的多個矢量三角形表示。三角形三邊長度分別代表兩根繩的拉力和重力大小，從該圖能夠看出繩OA的拉力FA是一直在減小的，OB繩的拉力FB則是先減小后增大，最小值出現在OB繩與OA繩相垂直時。

圖3

這種方法形象直觀、簡潔明快，但矢量三角形作圖法對學生來說難度大，學生很難一下掌握，運用時常常會出錯。

為了讓知識更好地生成，我們在教學中增加了一個課堂實驗，可以讓學生直觀地看到繩子拉力及其變化過程，這對于學生理解力的動態平衡過程具有很大的幫助。

借助DIS實驗系統，我們設計了下列實驗：如圖4所示，用兩根繩吊住一個鉤碼。在兩根繩中各連接一個力傳感器，然后通過數據采集器連接到電腦，可以把兩個繩拉力的變化表示出來。

圖4

在實驗中，選用圖形作為繩中拉力的輸出模式，固定OA繩方向不變，當把OB繩從水平位置緩慢轉動到豎直位置，這時兩拉力的變化圖線可以在電腦屏幕上呈現(圖5)，可以看出一根繩的拉力確實一直在減小，而另一根繩的拉力則先減小后增大。

圖5

對這一實驗結果，還可以作為課堂生成的資源，引導學生討論以下3個問題，加深他們對三力平衡問題的透徹理解。

(1) 當OB繩水平時，哪根圖線表示繩OB拉力？

圖6

(2) 圖5中紅線和藍線相交，交點表示什么意思？對應的兩線之間的角度應為多少？

兩線相交，對應的是兩根繩中拉力相等，根據力的合成知識，可知，此時兩根線間夾角為120°。

(3) 圖線中兩繩拉力的變化范圍為多少？

OA繩中拉力一直減少，OB繩中拉力先減小后增大。OB繩中拉力最小值出現在OB繩與OA繩垂直的位置；OA繩中拉力最小值為0，此時對應的情形是OB繩沿豎直方向，OB繩中拉力等于重物所受重力mg。

通過這樣一系列問題的分析，學生對力的動態平衡會有更加全面深刻的理解，回頭再運用力的矢量三角形動態作圖，就會順暢許多，學習效率大幅度提升。

在剛才的問題中，兩繩中拉力不同。如果同一根繩拉著重物，固定一段，移動另一端，情況又如何?這也是力的動態平衡的典型問題，在教學中也是需要重點解決的。

例2：如圖7所示，穿過掛有重物的動滑輪的繩子兩端分別固定于兩堵豎直墻上的A，B兩點，已知B點在A點之上．當把B端緩慢向下移動的過程中，繩中拉力的變化情況是( )。

圖7

A. 不變

B. 先變小，后變大

C. 先變大、后變小

D. 不斷變小

解析：在學習了力的平衡后讓學生討論這一問題，受例1的影響，學生選B或C較多，選A最少。在教學中我們可先讓學生選擇，然后一起來做如下實驗。

與例1一樣，也可借助DIS設計如圖8所示的實驗。考慮到圖中兩邊繩拉力應該相等，為簡單起見只用一個傳感器測繩中拉力。實驗中有傳感器的一段保持不動，另一端沿著框架邊逐漸下移，每下移一個位置，通過電腦讀出繩中拉力。

圖8

圖9

學生恍然大悟，對例1與例2中物理模型的本質區別有了深刻的理解，學生的思維品質得到了較大提升。

追求物理教學問題的情景化，讓物理課堂“動”起來，是廣大物理教師的追求。教無定法，但教要得法，必須一切從實際出發，不斷進行教學方法的改進與創新，只有這樣才能使物理課堂魅力四射。