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        高中物理“力的分解”部分教學研究

        2018-09-26 11:54:18平永敏
        名師在線 2018年21期
        關鍵詞:細繩分力直角坐標

        平永敏

        (江蘇省蘇州市昆山市陸家高級中學,江蘇蘇州 215331)

        引 言

        力學部分是高中物理教學的重要組成部分,也是高考物理??嫉臒衢T考點。其中“力的分解”部分作為力學部分的基礎知識,在教學中存在一些特殊問題。究其根源主要是集中在“力的分解依據(jù)”上。很多學生通過一段時間的學習,能夠通過表面的意思按照力的作用效果分解某個力,也會用平行四邊形定則來分解某個力,但一旦換了場景就不知道如何進行分解。

        一、力的分解應用概述

        從數(shù)學的角度來看,力的分解就是遵循平行四邊形定則對一個力進行分解。而在物理教學中,這些力的分解不是單純意義上的數(shù)學問題,它還與我們具體的生活實踐相結合[1]。在物理教學中,我們研究的力,是因為力的作用,使物體自身受到了一定的變化。這種變化既包括形態(tài)上的變化,也包括運動狀態(tài)上的變化。我們之所以研究物體所受外力的合成與分解,目的就在于求合力,只有合力才能夠實現(xiàn)力對物體的作用效果。而力的分解部分的知識是求合力的必要前提。依靠數(shù)學思維中力的分解的求法,來解決現(xiàn)實生活中的物理問題是行不通的。在物理解題求合力的過程中,如果遇到一個物體受到三個以上作用力的時候,借助力的分解來求合力比通過力的合成來求合力更加方便快捷。

        二、力的分解依據(jù)

        在長期的物理教學中,關于力的分解部分知識的理解呈現(xiàn)多樣化,最為普遍的認識就是:“力是依據(jù)其實際作用效果來分解的?!绷Φ姆纸饩褪墙柚叫兴倪呅味▌t,將一個力分解為等效的幾個力。如圖1所示:物體A放在傾斜角為θ的光滑斜面上,它所受到的重力為G,在平行于斜面的頂端系一根細繩將物體A固定在斜面上,物體和斜面都保持靜止狀態(tài)。那么物體A對斜面的壓力和物體A對細繩的拉力分別為多少?

        圖1

        通過對物體A受力分析和圖中所示,可得出物體A所受重力產生兩個效果:平行于斜面向下,給細繩的拉力G1;垂直于斜面,給斜面的壓力G2。根據(jù)平行四邊形定則就可以求出這兩個分力的大小。

        從工程力學的角度來看,物體在該實例中受到重力的作用,其中的斜面和細繩限制了物體A在整個組合中的運動。物體A對斜面的壓力和對細繩的拉力都是對物體A約束力的反作用力,都屬于彈力。其中產生的相互作用力就是重力和約束力的相互作用。也就是說物體A對細繩的拉力和對斜面的壓力,不是重力的分解產生的,而是對物體A的約束力和約束力的反作用力共同作用產生的。

        在涉及如何求解的問題中,通常情況下,我們運用將研究對象單獨隔離出來的方式,對它建立直角坐標系,根據(jù)直角坐標系對力進行分解,最終求出對應物體運動狀態(tài)的合力[2]。在選取直角坐標系的時候,我們可以根據(jù)運算習慣來建立,最終的計算結果不會因為直角坐標系選擇的不同而發(fā)生變化。例如,針對上述例子,我們可以建立兩種直角坐標系來分析,如圖2所示。

        圖2

        通過左圖的直角坐標系的構建,我們可以將G的分力落到x軸和y軸上,這樣就可以求出F1=Gsinθ,F(xiàn)2=Gcosθ。通過右邊圖的直角坐標系,使G落到直角坐標系的y軸上,將F1、F2分解到x軸和y軸上,最終求出F1=Gsinθ,F2=Gcosθ。

        在解決上述問題時,我們雖然計算出物體A對斜面的壓力為Gcosθ,但是不能說這是重力G的分力產生的作用效果。重力式物體和地球之間的相互作用力,不能轉接到別的物體上,造成題目中這種靜止狀態(tài)的情況是物體與地球、細繩和斜面四個物體相互作用產生的,而不是重力單獨作用產生的結果。

        結合上述問題的分析我們不難看出,“根據(jù)力的實際作用效果來確定它的分力”的說法并不準確。筆者認為力分解的依據(jù)是所選的坐標系,遵循的法則就是平行四邊形法則。

        三、力的分解教學設計思路

        首先,在課堂教學的引入部分,借助生活中的動畫創(chuàng)設相關的問題情境。教師提出問題,引導學生思考,激發(fā)學生學習的興趣。

        其次,帶領學生回顧上節(jié)課學習的《力的合成》部分知識,運用知識遷移理論,總結“分力”和“力的分解”的概念等知識。

        第三,提出力的分解的目的。教師通過對任意一個力的分解,讓學生體會,只要遵循平行四邊形定則,就可以將一個沒有任何限制的力分解為若干組分力。但是,為了解題的需要,我們并不是將它進行任意的分解,而是為了求物體所受的合力而有目的性地進行分解。

        第四,向學生講授用力的分解來求合力的具體方法。在這個過程中,教師可以選擇一個具體的生活情景,建立相應的直角坐標系,幫助學生加深對力的分解依據(jù)的理解。

        第五,進行隨堂練習。選擇生活中一個具體的問題展示給學生,讓學生通過合作學習完成解答,幫助學生鞏固本節(jié)課所學的知識。

        四、力的分解教學設計注意事項

        (一)明確力的分解的教學目的

        在單純的數(shù)學角度,運用平行四邊形定則,在沒有限制的前提下,可以將一個力分解為若干分力。我們在做力的分解的時候,要明確分解的目的。需要注意的是,根據(jù)牛頓運動定律的推算,我們可以看出,物體所受的合力是導致物體運動變化的重要因素,而物體所受的分力并沒有實際的“力的作用效果”。在力的分解部分的教學中,力分解的目的就是求解物體所受的合力。

        (二)體現(xiàn)力的分解的依據(jù)

        在上文中,我們就力的分解的依據(jù)做了分析。在該部分知識的物理教學中,教師在給學生講授力的分解方法以后,列舉出受多個力的物體合力的計算方法,采用多種坐標系的制作方法來求解,讓學生體會在不同的坐標系中求得的各種分力的結果可以不同,但是最終求得的物體所受的合力是相同的。這樣可以讓學生進一步加深對“力的分解過程就是為了求解物體所受合力的一個解題過程”的理解。

        結 語

        總之,“力的分解”是高中物理力學知識中的重要內容,也是其基礎內容。教師在教學中,要讓學生熟練掌握力的分解方法,因為學好“力的分解”,對日后的物理學習有很深遠的影響。

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