挖掘教材例題 進行擴展訓練
2008-12-31 00:00:00路文柱
物理教學探討 2008年11期
對典型例題進行擴展性訓練，可起到舉一反三，事半功倍的效果，不僅可以提高學習效率，而且能夠培養學生的發散性思維能力。高一物理教材《共點力平衡條件的應用》一節中有一例題：沿光滑的墻壁用網兜把一個足球掛在A點，如圖1所示，足球的質量為m，網兜的質量不計。足球與墻壁的接觸點為B，懸繩與墻壁的夾角為α。求懸繩對球的拉力和墻壁對球的支持力。
教材解答過程如下：
解：取足球和網兜為研究對象。由共點力平衡條件可知，F1和mg的合力F與F2大小相等，方向相反。如圖2，由力的平行四邊形求得：
F1=mgtanα，F2=mg/cosα。
教材是采用了力的合成法，并且是將兩個相互垂直的力F1和G合成進行求解的。其實，三力平衡時，任意兩個力的合力與第三個力總是大小相等方向相反。所以，還可讓學生任取其它兩個力進行合成訓練，如將F2和G進行合成，如圖3所示，求得結果是一樣的。
除合成法外，此題還可用分解法讓學生解答。下面先用正交分解方法解答。
如圖4所示，取水平方向為x軸，豎直方向為y軸，將拉力F2分別沿x軸和y軸方向進行分解。由力的平衡條件可知：
x軸方向有：F2sinα－F1=0，（1）
y軸方向有：F2cosα－mg =0。（2）
由（1）式和（2）式解得
F1=mgtanα，F2=mg/cosα。
還可以用斜交分解的方法解答。
如圖5所示，將重力G分解為F′1和F′2，則由共點力的平衡條件得：
F1與F′1的合力必須為0，F2與F′2的合力也必為0，所以有，
F1= F′1=mgtanα，F2= F′2=mg/cosα。
以上合成法與分解法為不同的物理方法，在數學方法上除利用直角三角形性質外，也可利用相似三角形法進行訓練，如圖6所示，△AOB與△OFG相似，由幾何知識得：
F/AO = G/AB，F1/BO=G/AB。
AB/AO=cosα，BO/AB =tanα。
由以上各式及共點力平衡條件F2= F得：
F1=mgtanα，F2=mg/cosα。
最后再變換條件，步步為營，讓學生繼續訓練：
將例題中的已知條件“懸繩與墻壁的夾角為α”換為“已知繩長為L（網兜長度不計），足球半徑為R，如圖7所示”，其它條件不變，如何求解？
通過前面訓練，學生已經熟悉了處理三力平衡的方法，那么解答如圖7所示就會出現各種不同的方法。在數學方法上，可先通過已知量L和R求出α，再利用直角三角形法解答，但此題更應重視利用相似三角形法訓練，一是因為此題給出的物理量涉及長度，二是因為此題用此種方法相對簡單，如下：
由△AOB與△OFG相似得：
F/AO = G/AB，F1/BO=G/AB。
其中AB=（L+R）2-R2，AO=L+R，BO=R。
由以上各式及共點力平衡條件F2= F得：
F1=RL2+2LR mg，
F2=L+RL2+2LR mg。
如果這類問題不是特殊的三角形，并且已知量不是角度，而是長度，特別能體現出相似三角形的優越性。趁熱打鐵，再給出一個練習題讓學生強化訓練。
如圖8所示，光滑的半球形物體固定在水平地面上，球心正上方有一定滑輪，輕繩的一端系一小球（可視為質點），靠放在半球上的A點，另一端繞過定滑輪后用力拉住，現緩慢地拉繩，使小球沿球面由A點到半球項點B。求此過程中半球對小球的支持力和繩對小球的拉力的變化情況。
提示：受力情況如圖9，設CA=L，CB=h，半球的半徑為R，小球質量為m，利用相似三角形法解得FN=RR+h mg，FT=LR+h mg。
結論：拉繩過程過L不斷減小，FN不變，FT減小。
三力平衡問題是靜力學中最典型的題型，通過以上訓練，學生既掌握了處理此類問題的物理方法——合成法或分解法，又掌握了數學方法——利用直角三角形或相似三角形性質的方法，同時擴展性地訓練了學生的思維，最大限度地發揮了例題的示范帶動作用，可謂一舉多得。
(欄目編輯羅琬華)
