教科版高一物理必修一教案：4.1共点力作用下物体的平衡

课题 共点力作用下物体的平衡 指导思想与理论依据 新课程要求高中物理教学要突出科学领域中最基本的一些概念和重要规律。在培养学生 基础知识和基本技能的过程中，强化学生关键能力的培养，体现以人为本的教学思想。物理 规律的探究需要创设问题情境。学生从情境中发现和提炼问题，对问题的可能答案作出假设， 并根据问题情境运用已有知识制订探究计划，选择符合情境要求的实验装置进行实验，获取 客观、真实的数据，通过对数据的分析形成关于物理规律的结论。建构主义主张，教学要呈 现知识的发生过程，加强知识和实际情景的联系，提高学生对知识的意义构建的理解能力， 让学生的认识能力在形成概念、掌握规律的过程中得到充分发展。新课程倡导“自主、合作、 探究”的学习方式。 教学内容分析 1. 教学要求 2017 年教育部制定的《普通高中物理课程标准》中呈现的与本节相关的内容要求是“能 用共点力的平衡条件分析生产生活中的问题”。学业要求是“会使用基本的力学实验器材获 取数据，能根据数据得出实验结论，知道实验存在误差”，“能表达科学探究的过程和结果”。 2. 共点力作用下物体的平衡的具体分析 共点力平衡问题是高中物理的重要内容之一。与质点、位移、速度等这些独立的概念不 同，它是涉及力的概念、受力分析、力的合成与分解、列方程运算等多方面物理知识和能力 的综合性问题，是整个静力学部分的重点，同时也是难点。平衡思想与守恒思想是解决物理 问题的科学思想和基本出发点。而平衡问题中涉及到的各种物理模型，在今后物理学习中会 经常遇到，对高一学生来讲，这些都是一些基本的模型素材。所以在设计本节内容时，力求 最大程度地发挥学生的主体作用，采取提出问题——猜想假设——实验方案——实验探究 ——总结结论的方法，带领学生讨论、分析，找出共点力的平衡条件。让学生体会在探究的 过程中应用伽利略研究问题的科学方法，通过日常生活中的实例教学和实验教学调动学生学 习物理的积极性。 3. 学生学习情况分析 对于物体的平衡问题，通过初中阶段的学习，学生已经有了一定的认识，并且对同一直 线上二力平衡的条件有较好的理解，并能较熟练地应用，这对学生学习多个共点力的平衡有 一定的帮助。学生在学习三力平衡的规律之前，基于生活经验，形成了大量的经验性常识。 在此基础上建构物理规律，需要引导学生在诸多客观情境中发现问题，并对问题进行科学探 究，完成从经验性常识到物理规律的转变。对进入高中学段的不久的学生来说，利用实验方 法探究物理规律的能力也有待加强。另外，学生对物体的受力分析、力的分解、力的合成的 知识掌握得不是很熟练，综合应用能力还比较弱，也需在课堂中逐步提升。 教学目标与重难点 一、教学目标 1. 知道平衡概念，理解物体在平衡力作用下的平衡条件。 2. 通过实验过程的参与，体会科学探究的过程：提出问题——猜想假设——制定计划 与设计实验——进行实验与收集证据——分析与论证——评估、交流与合作——总结结论。 3. 通过实验感受等效替代、归纳、力的图示等科学方法，培养学生积极主动探究知识 的态度和合作精神。 4. 能利用共点力平衡的知识解释身边的相关现象。 二、教学重点 通过实验探究，得到共点力的平衡条件 三、教学难点 共点力的平衡条件 四、教学资源 弹簧测力计 3 只，量角器，细线 3 条，硬纸片 1 张，白纸 2 张，铁钉 1 枚 教学流程 对平衡条件初步认识 引导学生提出问题 实验探究 得出结论 反馈应用 制定计划与设计思路 教师指导实验 学生分组实验 分析实验数据 评估与交流 小结 教学过程 教学环 节 教师活动 学生活动 设计意图 回顾旧 知 引入课 题 今天我们来学习物体 的平衡，首先我们要明 确什么是平衡态？ 大家看我手中有一个 薄板，如何确定它的重 心？理论依据是什 么？ 展示图片，分别对应的 是称体重的小女孩，静 止在桌面上的书，和匀 速上升的热气球，对于 小女孩，书，整个热气 球来说，他们都是在两 个力作用下的平衡态， 这些都是我们初中学 习过的二力 平衡。 二力平衡的条件是？ 大家注意观察体重秤， 对于它来讲，它受到几 个力？ 通过初中阶段的学习，我们已经知道，静止 或匀速运动状态属于平衡态。 悬挂法 二力平衡，拉力作用线的延长线经过重心。 作用在同一物体，大小相等，方向相反，作 用在同一直线上。 3 个 广泛调动 学生回顾 初中所学 的 平 衡 态，以及 二力平衡 的知识， 为后面课 题的研究 做铺垫。 我们发现生活中很多 物体会受到不止两个 力作用。 展示图片。 那么当物体受到多个 力，处于平衡状态时， 又遵循怎样的规律 呢？我们本着由简单 到复杂的原则，先来研 究一下三力作用下物 体处于静止状态时，这 三个力在空间和大小 方面的关系。 探究教 学 探究三力平衡时，三个 力之间存在怎样的关 系？ 在前面研究自由落体 运动时，作为近代实验 物理的先驱，伽利略为 我们呈现了一套完整 的研究问题的方法， 今天我们就用这套方 法来研究这个问题。首 先 基于发现的问题， 我们要先进行猜想和 假设。根据下发的课前 自主学习任务书，我整 理了一下大家的猜想， 可以分为以下几种假 说： 学生猜想： ①共线说 对研究的 问题开展 科 学 探 究，体会 研究问题 的科学思 路和基本 方法 ②共面说 ③共点说 ④合成说 ⑤三角形说 ⑥象限说 实验探 究 1：三 力平衡 时，三力 是否在 一个平 面内？ 有了这些猜想以后，下 面我们就要对他们进 行验证。如何来对这些 猜想进行实验验证 呢？ 1 提出问题： 二力平衡时，两个力需 要共线，三力平衡时， 三力是否也需要共 线？是否需要在一个 平面内？ ②科学猜想 以生活中的物体受力 为例。 例如：日光灯、吊环运 动员 我们分析其受力情况。 这三个力有什么特 点？ 日光灯的重力竖直向下，两根吊杆各给日光 灯一个向上的拉力。 ③研究方案 除了这种平行的特殊 情况，物体受三力而平 衡时，三力肯定要共面 吗？怎样探究这个规 律呢？ 如何借助实验来进行 探究呢？ 对方案进行点评，确定 研究方案。 ④自主探究 四人一组，探究物体受 到三力作用静止时，是 否需要共面。 这三个力满足两个条件：方向是平行的；大 小关系是同向的力和反向的力相等。 生活经验告诉我们，如果不共面，物体会转 起来。 利用桌上的硬纸片，硬纸片很轻，可以忽略 重力。利用两根细绳使硬纸片处于静止状 态，在此基础上，利用细绳施加第三个力， 我们可以通过观察细绳在不在同一平面来 判定物体受到三力作用静止时是否需要共 面。 从特殊到 实验探 究 2：三 力的作 用线交 点有几 个？ ⑤交流汇报 得出结论：确实应该共 面。 ①提出问题： 三力平衡时，三力的作 用线交点有几个？（三 个力不平行） ②科学猜想 ③研究方案 在实验桌上固定一张 白纸，在靠近白纸上方 且平行白纸处用力拉 动三条细线使硬纸片 处于静止状态。采用描 点方式分别记下三力 方向。撤去硬纸片，在 白纸上分别画出三力 的作用线。改变拉力的 方向，重复上述步骤。 ④自主探究 用小铁钉在硬纸片上随机打三个孔，以备穿 线之用。 小组中三人拉细绳，另一人判断。 1）纸片上打的点不在一个地方，所以作用 线交点是三个。 2）力的作用线或作用线的延长线相交后才 能确定有几个。 3）可能是一个。 分组讨论，总结方法。 一般，得 出结论 教师巡视，指导。 ⑤实验结果汇报 教师可利用薄板和两 根悬线演示非平行拉 力和重力的作用线共 点。（先找重心） ⑥得出结论 物体受到的力的作用 线或者力的作用线的 延长线交于一点。 目前我们得到了物体 受到三个非平行力平 衡的条件之一是共点 力。 共点：力的作用线交于 一点 平衡时，物体受到的三 力大小应该是什么关 系？ 根据提示，小组内做以 下三组实验。 ①在桌面白纸上先画 学生分组实验 各组汇报成果。 实验探 究 3：三 力的大 小有怎 样的关 系呢？ 出三条互成 120°的三 条直线。靠近白纸位置 水平拉动三个弹簧测 力计，使三个弹簧测力 计与三条直线平行，记 下弹簧测力计的示数 及拉力方向。 ②使其中两个弹簧测 力计相互垂直，重复上 述操作。画出三力的图 示，探究三力的大小关 系。 ③三弹簧测力计之间 夹角任意，重复上述操 作。 提醒：正确使用弹簧测 力计，正确读数。作图 时利用好量角器，保留 作图的辅助线。 我们现在能否总结一 下物体受到三个非平 行力作用下处于平衡 状态，需要满足什么条 件？ 总结： 大量的实践和理论推 导证明，三力平衡的条 件是： 1. 三力平行，同向的 力的合力与反向的力 学生展示作图结果： ①三力大小基本相等（误差） ②在误差允许的范围内，相互垂直的两个力 的合力与第三个力大小相等，方向相反。 ③任意夹角下，满足两力合力与第三力大小 相等，方向相反。 共点力作用，任意两力的合力和第三个力大 小相等，方向相反。 相等。F1+F2=F3 2. 三力共点，任意两 力的合力和第三力大 小相等，方向相反；或 者说合力为零。 反馈练 习 如何确定一个质量分 布不均匀的木棒的重 心？ 延长两个支持力的作用线，过交点作竖直延 长线交木棒于一点，这一点就是木棒的重 心。 拓 展 应 用，及时 反馈 课堂小 结 本节课你学到了什 么？ 你还有什么新的思 考？ 下一节课我们结合具 体的问题进一步解决 这类问题。 平衡状态，三力的平衡条件 三力平衡问题中的任意两力既不垂直，又不 等大，如何求解？ 总结提升 教学反思 本节课的教材是以演绎推理的方式呈现的，是由“二力平衡”的条件出发，将“三力平 衡”问题通过力的合成过渡为“二力平衡”问题，平衡的条件自然也就是合力为零。这样， 往往就会将新课上成习题课。 学生通过初中内容的学习，科学探究的思想对学生产生了很深的影响，关于实验的基本 思路，学生很清楚。对于基础较好的学生，他们的学习方式已更趋向于“主动、合作、探究 和创新”。参照伽利略对问题的研究方法，让学生结合自身的生活经验和一些常识，对物体 在三个力作用下处于静止状态时，这三个力所满足的关系进行合理的猜想后，对规律教学展 开探究，这种处理方法将对学生发展科学思维的能力和心理产生深远的影响。 学生在课前通过任务书的引领，对即将要研究的问题进行了初步的探索，为其思维的发 散提供了较大的空间。比如有部分学生提出了比较有深度的猜想，比如“象限说”。课堂上 学生通过具体的实验设计方案交流和实验操作，获取客观、真实的数据，通过对数据的分析 形成关于规律的结论。在总结规律的过程中，通过对所探究问题的科学思路和基本方法的渗 透，提高了学生解决实际问题的能力，对学生的终身发展是有益的。