基于核心素養的“共點力的平衡”教學設計

覃華化

(廣西壯族自治區柳州市民族高中，廣西 柳州 545006)

1 引言

“共點力的平衡”是形成運動與相互作用觀念的重要知識載體，物體平衡是一種特殊條件(合力為0)下的特殊運動(加速度為0)。共點力平衡的條件在運動與相互作用觀念形成過程中具有承上啟下的作用，承上是在初中二力平衡基礎上展開，進一步拓展和延伸；啟下是后續學習中深入研究物體所受合力不為0時運動狀態變化的基礎。通過本節的學習，初步培養學生模型構建、科學推理、科學探究、科學論證等能力。

2 教學設計

2.1 教學目標

(1) 物理觀念：初步形成運動與相互作用觀念，能從平衡的視角解釋簡單的力學現象。

(2) 科學思維：引導學生抓住主要因素，學習構建物理模型的科學思維方法。

(3) 科學探究：能基于實驗證據得出結論并作出解釋，同時對科學探究的過程和結果進行交流、評估。

(4) 科學態度與責任：能用共點力平衡的條件分析生產生活中的實際問題。

2.2 教學過程

2.2.1 教學引入

播放視頻，展示“平衡達人”擺弄各種物體的平衡造型，展現生活中各種有趣的平衡現象，激發學生學習的興趣，引出平衡狀態的概念。

2.2.2 平衡狀態

物體處于靜止或者勻速直線運動的狀態叫作平衡狀態，其運動學特征為：v保持不變，即a=0，并且指出物理問題中有時會出現物體“緩慢移動”，也可以視為物體處于平衡狀態。處于平衡狀態的物體受力情況如何？

2.2.3 探究活動

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

圖1

設計意圖：通過創設情境，讓學生自己體驗共點力概念的過程，教師進行簡單總結，建構物理概念，同時引出還有不相交于一點的力，如圖2所示，三根竹簽相互平行，為非共點力。

圖2

2.2.4 共點力

幾個力如果都作用在物體的同一點，或者它們的作用線相交于一點，這幾個力叫作共點力。除了共點力，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力作用下的平衡狀態。受共點力作用的物體在什么條件下才會保持平衡呢？

2.2.5 共點力的平衡條件

回顧二力平衡知識，作用在同一物體上的兩個力，大小相等、方向相反，并且作用在同一條直線上，即合力為零。回應前面播放的視頻，對擺弄的平衡物體進行受力分析，加深對二力平衡條件的理解。

進而拓展到三力平衡，引導學生根據前面學習的力的合成，把其中兩個力進行合成，通過合力等效替代兩個分力，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=0，兩個力的合力與第三個力等大、反向、共線。

再拓展到四力平衡，同理根據力的合成，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，且四力之間的關系是三個力的合力與第四個力等大、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。

設計意圖：基于初中二力平衡知識，進一步拓展和延伸，進行理論探究，加深理解等效替代法，層層遞進，歸納總結得出共點力的平衡條件。

2.2.6 共點力平衡條件的應用

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

圖3

設計意圖：將教材中例題加上具體數據，讓學生應用三力平衡的條件處理問題并且驗證。

首先，引導學生明確研究對象，進行受力分析，處理三力平衡問題時通常用合成法(圖4)。

圖4

然后，再通過實驗來驗證學生運算的結果，如圖5所示，利用兩個力傳感器和砝碼創設真實情境，將鉤碼掛到圖3中重物的位置，觀察力傳感器的讀數與學生運算結果是否一致，實現理論探究與實驗探究相結合。

圖5

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

圖6

設計意圖：引導學生除了用合成法，還可用分解法，讓學生嘗試使用分解法處理，為學習正交分解法做鋪墊。

先引導學生抓住主要因素，忽略次要因素，構建物理模型，將滑梯抽象成斜面模型(圖7)。

圖7

然后，通過斜面模型進行實驗探究，當斜面傾角較小時，槽碼不能滑至底部，當斜面傾角較大時，槽碼到達底部的速度過大，兒童玩滑梯時有安全隱患，要控制好斜面傾角。

然后，讓學生明確研究對象，進行受力分析，引導學生嘗試分解法處理問題。根據前面學習可知，如果沒有任何限制，一個力可以分解成無數個分力，因此需要根據力的作用效果進行分解。

創設如圖8所示的真實情境，在斜面上放上兩塊海綿，將重物放在上面，看到兩塊海綿都發生了形變，讓學生體驗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，將重力進行分解，結合三角函數可求出斜面傾角和滑梯的高度。

圖8

圖9

最后，總結歸納分解法，發現將重力分解之后，得出的四個力剛好兩兩在一條直線上，且相互垂直，進而引出正交分解法。正交分解法的要點是在建立直角坐標系之后，只需將不在坐標軸的力分解到坐標軸上，而且當出現四個力或更多力時均適用。

3 結語

新課改的要求就是要基于的核心素養的培養要求去思考問題，讓學生在物理概念、科學思維、科學探究、科學態度四個方面得到有效提升。高中物理教師通過聯系生活、引發認知沖突、基于實驗、激活知識等途徑創設問題情境，通過真實的情境教學，引導、激發學生深度思考，把物理知識和實際情境緊密聯系起來，讓學生在物理情境中思考問題，在思考問題中掌握知識，在掌握知識中促進學生必備品格和關鍵能力的形成，增強學生的實踐意識。