摘要：《探究三力平衡條件》是高一物理第一冊(cè)的內(nèi)容，在本課題設(shè)計(jì)中以學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究為手段。充分讓學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)、參與從而獲取問(wèn)題的解決，是一次新課程下教學(xué)創(chuàng)新的實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：探究；三力；平衡

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2013）2（S）-0064-4

本節(jié)課是在學(xué)生學(xué)習(xí)高一“人教版”物理第三章第四節(jié)《力的合成》后開(kāi)設(shè)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究課。

授課對(duì)象：浙江省永康市第二中學(xué)高一（3）班學(xué)生。

地點(diǎn)：永康二中實(shí)驗(yàn)室。

1 教學(xué)目標(biāo)

1.1 知識(shí)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(xué)會(huì)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的辦法探究物體在三力作用下平衡的規(guī)律。

（3）會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行分析。

（4）應(yīng)用三力平衡條件解釋生活中看到的實(shí)際問(wèn)題。

1.2 過(guò)程與方法

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的參與，體會(huì)科學(xué)探究——提出問(wèn)題、猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)、分析與論證、評(píng)估、交流與合作。

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)感受等效替代、歸納、力的圖示等科學(xué)方法。

1.3 情感、態(tài)度與價(jià)值觀

（1）通過(guò)合作探究，體會(huì)合作的重要性，學(xué)會(huì)合作，享受合作的愉悅。

（2）利用共點(diǎn)力平衡的知識(shí)解釋身邊的事情。

2 教學(xué)重難點(diǎn)

2.1 重點(diǎn)

三力平衡的條件。

2.2 難點(diǎn)

學(xué)生做三力平衡時(shí)候遇到的具體問(wèn)題。

3 教學(xué)用具

白紙2張、硬紙片1張、3條細(xì)線、彈簧測(cè)力計(jì)3只、小鐵釘1枚、量角器。

4 教學(xué)方法

本課通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，巧設(shè)物理情景，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性；由學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；最后再通過(guò)實(shí)際問(wèn)題，深化學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性。

探究式分組實(shí)驗(yàn)的方法，需要學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，觀察來(lái)源于實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，運(yùn)用歸納法進(jìn)行加工整理，得出一般性的物理規(guī)律。本課通過(guò)教師引導(dǎo)，使學(xué)生再一次領(lǐng)略到物理知識(shí)的邏輯性和簡(jiǎn)潔性，從而發(fā)現(xiàn)物理世界的“美”。

5 課堂實(shí)錄

5.1 教學(xué)回顧

師：同學(xué)們，今天很高興能在實(shí)驗(yàn)室里和大家一起來(lái)探討問(wèn)題。

首先，我們來(lái)看一個(gè)現(xiàn)象。同學(xué)們的桌上放有較多的實(shí)驗(yàn)器材，它們現(xiàn)在都處于靜止?fàn)顟B(tài)。請(qǐng)對(duì)其中任意一件器材進(jìn)行受力分析。

生甲：彈簧測(cè)力計(jì)受豎直向下的重力和垂直于水平桌面的支持力，共兩個(gè)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(duì)的。那么這兩個(gè)力有什么特點(diǎn)？

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(gè)力的作用下，處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的規(guī)律就是上面所說(shuō)的情況？

生：是的。

生：不光是靜止的問(wèn)題，勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候也是如此的。

師：也就是說(shuō)，物體如果受到兩個(gè)力作用而處于平衡狀態(tài)，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(huì)受到不止兩個(gè)力的作用，那么物體受到多個(gè)力，而保持（處于）平衡狀態(tài)時(shí)，又遵循怎樣的條件呢？我們由二力平衡前進(jìn)一小步，討論一下三力平衡的情況如何？

5.2 探究教學(xué)

5.2.1 平衡的概念

我們將物體處于靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。

5.2.2 探尋規(guī)律

（1）實(shí)驗(yàn)探究一：三力平衡時(shí)，三力共面，異面？還是共、異面均可能？

①提出問(wèn)題

師：三力平衡時(shí)，三力共面、異面？還是共、異面均可能？

②科學(xué)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(gè)。同學(xué)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(gè)向上的拉力。這三力是共面的、平行的。向上兩個(gè)力的合力等于第三力。

師：（板書(shū)）

這三力滿足兩個(gè)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(shí)，三力肯定要共面嗎？怎樣探究這個(gè)規(guī)律呢？

生：直覺(jué)是應(yīng)該共面的。因?yàn)椴还裁妫矬w要翻轉(zhuǎn)起來(lái)。

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(zhuǎn)，沒(méi)法平衡。

生：我們可以用實(shí)驗(yàn)來(lái)探究？

師：這方法可行，硬紙片很輕，忽略重力。如果用三條細(xì)繩拉硬紙片，我們就可以通過(guò)觀察細(xì)繩在不在同面來(lái)判定物體受到三力作用時(shí)是否需要共面。

我們研究物理規(guī)律，都會(huì)從最簡(jiǎn)單的形式開(kāi)始！請(qǐng)同學(xué)們按照我們的要求來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)合理的實(shí)驗(yàn)方案！

④自主探究

學(xué)生活動(dòng)：四人一組實(shí)驗(yàn)。探究物體受到三力作用時(shí)候是否需要共面。

用小鐵釘在硬紙片上隨機(jī)打三個(gè)小孔，以備穿細(xì)線之用，如圖1所示。

生：小組實(shí)驗(yàn)。三人拉細(xì)繩，另一人判斷。

⑤交流匯報(bào)

生：得出結(jié)論，確實(shí)應(yīng)該共面。

（2）實(shí)驗(yàn)探究二：三力的作用線交點(diǎn)有幾個(gè)？

①提出問(wèn)題

師：探究三力平衡時(shí)，三力的作用線交點(diǎn)有幾個(gè)？

②科學(xué)猜想

生：紙片上打的點(diǎn)不在一個(gè)地方，所以作用線交點(diǎn)是三個(gè)點(diǎn)。

生：不對(duì)。力的作用線或作用線的延長(zhǎng)線相交，才能確定是幾個(gè)?？赡苁且粋€(gè)。

③研究方案

分組討論、總結(jié)方法。

生：可以將剛才的實(shí)驗(yàn)投影到桌上。

生討論后擬定：在實(shí)驗(yàn)桌上用膠帶固定A3白紙。在靠近白紙上方且平行白紙?zhí)幱昧瓌?dòng)三條細(xì)線，采用描點(diǎn)方式記下三力方向；撤去硬紙片，在白紙上分別畫(huà)出三力的作用線。改變拉力方向。重復(fù)上述步驟多次。

④自主探究

生實(shí)驗(yàn)活動(dòng)……

教師巡視，發(fā)現(xiàn)有的學(xué)生手拉細(xì)繩時(shí)，手移動(dòng)了，導(dǎo)致畫(huà)圖不準(zhǔn)確，提醒手應(yīng)該靠在桌上。

⑤分享成果

各組匯報(bào)成果。量得各力的夾角，在黑板上畫(huà)出硬紙片的受力情況（板畫(huà)）。

師生匯總：

物體受到的力的作用線或力的作用線的延長(zhǎng)線交于一點(diǎn)。我們得出物體受到三力平衡的條件之一是共點(diǎn)力。

（3）實(shí)驗(yàn)探究三：三力的大小有怎樣的關(guān)系？

師：平衡時(shí)，物體受到的三力大小應(yīng)該是什么關(guān)系？根據(jù)以下各圖，我們從特殊到一般吧。小組內(nèi)先合作再分工。做以下三組實(shí)驗(yàn)：

①在桌面白紙上先畫(huà)出三條互成120°角的三條直線（圖2）。靠近白紙位置水平拉動(dòng)三個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)，如圖3所示。使三彈簧測(cè)力計(jì)與三直線平行，記下彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F、F、F及拉力方向。

②使其中兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)相互垂直，如圖4所示。重復(fù)上述操作。畫(huà)出三力的圖示。探究F、F、F三力的大小關(guān)系。

③三彈簧測(cè)力計(jì)之間夾角任意，重復(fù)上述操作。

師提醒：要正確使用彈簧測(cè)力計(jì)，正確讀數(shù)。作圖時(shí)利用好量角器。

學(xué)生組內(nèi)分工合作，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)……

學(xué)生匯報(bào)。

生：互成120°時(shí)，三彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)為1.5N，1.5N，1.5N。得出結(jié)論是：三力大小相等。

學(xué)生作品展示。

師：可是我看你的力的圖示上這三個(gè)力有一點(diǎn)不同。

生：在誤差范圍內(nèi)，還是可以近似認(rèn)為是相等的。

師：很好。我們做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，需要忽略實(shí)驗(yàn)誤差。

生：在誤差范圍內(nèi)，相互垂直的兩個(gè)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(cè)力計(jì)之間夾角60°，力都是1.0N。另一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)是1.8N。這兩個(gè)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(xiàn)在能否下個(gè)定論，那就是物體受到三力作用，處于平衡狀態(tài)，需要滿足什么條件？

生：共點(diǎn)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(shū)）

大量的實(shí)踐和理論推導(dǎo)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(diǎn)，任意兩力的合力和第三力大小相等，方向相反；或者說(shuō)合力為零。

5.2.3 應(yīng)用推廣

拱券結(jié)構(gòu)是古代人們解決建筑跨度的有效方法。歐洲古羅馬的萬(wàn)神廟、我國(guó)古代的趙州橋都是拱券結(jié)構(gòu)的典型建筑。拱券結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是利用石塊的楔形結(jié)構(gòu)，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(lái)承受（圖5）。

現(xiàn)有六塊大小、形狀、質(zhì)量都相等的楔塊組成了一個(gè)半圓形實(shí)驗(yàn)拱券，如圖6所示。請(qǐng)對(duì)中間偏左的楔塊進(jìn)行受力分析。

6 教學(xué)反思

物體處于三力作用而平衡狀態(tài)，各力之間的關(guān)系，在本設(shè)計(jì)中使用的是實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行探究。在以往的教學(xué)中；我們經(jīng)常安排習(xí)題課，用很多方法進(jìn)行計(jì)算。例如：力的合成（歸一思想）：把三個(gè)共點(diǎn)力的平衡問(wèn)題，通過(guò)力的合成法轉(zhuǎn)化為二力平衡問(wèn)題，即，某個(gè)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(biāo)，根據(jù)題意列方程求解；三力匯交原理：若物體受共面的三個(gè)不平行的力作用而平衡，則這三個(gè)力必定共點(diǎn)，而且表示三個(gè)力的矢量線段組成一個(gè)順向的封閉三角形。本設(shè)計(jì)使用實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行探究，讓學(xué)生有切身的實(shí)驗(yàn)體會(huì)，這是其他方法所不能及的。本節(jié)課是規(guī)律的探究課，呈現(xiàn)在學(xué)生面前的是現(xiàn)象、問(wèn)題，而不是結(jié)論。因此，本節(jié)課的教學(xué)沒(méi)有要求學(xué)生預(yù)習(xí)。面對(duì)新現(xiàn)象，新問(wèn)題，且沒(méi)有唯一固定的答案，學(xué)生有濃厚的探究欲望，為其思維的發(fā)散提供了較大的空間。從另外一個(gè)角度講，本節(jié)內(nèi)容對(duì)數(shù)學(xué)運(yùn)算、物理理論要求不高，適當(dāng)?shù)赜纸档土藢W(xué)習(xí)難度，選擇探究式教學(xué)是最佳的途徑。探究式教學(xué)重視的是探究的過(guò)程和方法而不是結(jié)論。探究過(guò)程是產(chǎn)生創(chuàng)造思維的溫床。本節(jié)課以學(xué)生為主，讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論，驗(yàn)證結(jié)論等等，教師只起引導(dǎo)和組織的作用，這樣不僅能讓學(xué)生對(duì)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(yǎng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能以及分析、歸納、概括、總結(jié)等邏輯思維能力。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯 鄧?yán)冢?/p>