《力的合成》教學(xué)設(shè)計(jì)

步國平

本文通過《力的合成》一課的教學(xué)設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了物理新課程的理念，將復(fù)雜的物理知識(shí)和思想以形象直觀的方式進(jìn)行了展示，該教學(xué)設(shè)計(jì)在實(shí)踐中取得了較好的效果。

一、設(shè)計(jì)理念

通過本節(jié)教學(xué)，不僅要讓學(xué)生學(xué)到基礎(chǔ)的物理知識(shí)與技能，還要讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，注重知識(shí)的形成過程和對(duì)知識(shí)的真正理解；通過探究過程，讓學(xué)生了解科學(xué)研究方法，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ魂P(guān)注每位學(xué)生的發(fā)展，培養(yǎng)他們探索自然、理解自然的興趣與熱情。

二、教材分析、學(xué)生分析及教學(xué)處理

“平行四邊形定則”是矢量運(yùn)算的普遍法則，學(xué)習(xí)它不但是研究力的合成與分解的需要，也是為以后學(xué)習(xí)速度的變化等矢量運(yùn)算做好準(zhǔn)備，但矢量的運(yùn)算法則對(duì)初學(xué)者來說是很難跨越的一個(gè)臺(tái)階，為此可關(guān)注以下幾點(diǎn)：

1、對(duì)于本節(jié)教學(xué)，改變了過去一貫采用的“驗(yàn)證性”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，而是采用“探究性”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生在自己原有“同一直線上兩個(gè)力的合成”的知識(shí)基礎(chǔ)上，通過“猜測、實(shí)驗(yàn)、歸納、總結(jié)”的探究過程，自己得出“不在同一直線上的兩個(gè)力的合成”所遵循的“平行四邊形定則”，并讓學(xué)生在此過程中體會(huì)“實(shí)驗(yàn)歸納法”。

2、學(xué)生對(duì)矢量的認(rèn)識(shí)還很膚淺，但只要老師引導(dǎo)得當(dāng)，注重分析貼近學(xué)生生活的實(shí)際問題，就目前學(xué)生的知識(shí)水平而言，教學(xué)活動(dòng)應(yīng)該會(huì)比較順暢，學(xué)生各方面的能力也可以得到培養(yǎng)。

3、教材在第一章第2節(jié)中已經(jīng)設(shè)置了一個(gè)“思考與討論”欄目，讓學(xué)生通過對(duì)兩段互成角度的位移的合成，體驗(yàn)矢量相加的“三角形定則”，雖未提到“平行四邊形定則”，但已為后面有關(guān)矢量合成的研究埋下了伏筆。所以在本節(jié)課中，應(yīng)該加以充分利用，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中體會(huì)到水到渠成之感。

4、力的合成規(guī)律的探究過程依據(jù)的是“等效替代”思想，學(xué)生只有領(lǐng)悟了這一思想，才有可能以它為指導(dǎo)思想真正理解“平行四邊形定則”，才有可能靈活應(yīng)用它。

5、利用實(shí)驗(yàn)探究的方法來得到平行四邊形定則，既可以培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的能力，也可以培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的精神。學(xué)生經(jīng)過這一過程，在一定程度上也提高了運(yùn)用知識(shí)的能力。

三、教學(xué)目標(biāo)

（一）知識(shí)與技能

1、理解合力與分力的概念，知道什么是力的合成。

2、掌握力的“平行四邊形定則”，會(huì)用作圖法求兩個(gè)共點(diǎn)力的合力。

3、會(huì)定性分析合力隨兩個(gè)分力夾角的變化情況，掌握合力的變化范圍。

4、知道共點(diǎn)力的概念，會(huì)計(jì)算在同一直線上的幾個(gè)力的合力，會(huì)用直角三角形知識(shí)計(jì)算兩個(gè)力的合力。

5、能區(qū)分矢量與標(biāo)量，能用力的合成分析日常生活中的問題。

（二）過程與方法

1、采用日常生活中“等效替代”思想來理解合力與分力的概念，并在這一思想的指導(dǎo)下，通過實(shí)驗(yàn)探究去體驗(yàn)“力的平行四邊形定則”的發(fā)現(xiàn)過程。

2、采用實(shí)驗(yàn)探究的學(xué)習(xí)方式，通過獨(dú)立思考與分組討論等過程，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手操作、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力，以及分析、綜合、歸納的能力。

3、通過課堂實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及操作過程，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)有器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀

1、通過實(shí)驗(yàn)探究過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

2、通過力的合成的研究與規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，逐步養(yǎng)成用科學(xué)方法與科學(xué)知識(shí)理解和解決實(shí)際問題的習(xí)慣，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

3、通過分組實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生合作、交流的能力與團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。

四、教學(xué)重、難點(diǎn)

（一）重點(diǎn)

滲透“等效替代”的物理思想，促使力的平行四邊形定則的發(fā)現(xiàn)與深刻的理解。

（二）難點(diǎn)

①實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)；

②平行四邊形關(guān)系的發(fā)現(xiàn)；

③從“代數(shù)和”到“矢量和”的跨越；

④對(duì)合力與分力間的“等效替代”關(guān)系的真正理解與靈活運(yùn)用。

五、教學(xué)器材

木板1塊、白紙1張、圖釘5枚、細(xì)繩2根(兩端做好套)、滑輪一組、勾碼一組、鉛筆1只、三角尺1~2把。

六、教學(xué)過程設(shè)計(jì)

（一） 引入新課

前面，我們已學(xué)習(xí)了物體間相互作用的各種表現(xiàn)，如重力、彈力、摩擦力，也知道了如何對(duì)物體進(jìn)行受力分析。那么，當(dāng)物體的受力情況比較復(fù)雜時(shí)，是否存在簡化問題的科學(xué)方法和途徑呢?現(xiàn)在就來探究這個(gè)問題。

（二）進(jìn)行新課

1、創(chuàng)設(shè)情境、引出課題

圖1、圖2、圖3展示了日常生活中“等效代替”的思想。

提出問題

(1)物體被施加了幾個(gè)力的作用后，能用一個(gè)力來替代它嗎?

(2)怎樣替代?替代的前提是什么?

設(shè)計(jì)說明：引出“等效替代”的思想，是發(fā)現(xiàn)力的合成法則的前提，是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。如果這一環(huán)節(jié)做得不到位，即使“完成”了后面的教學(xué)，學(xué)生對(duì)為什么要進(jìn)行力的合成，為什么可以進(jìn)行力的合成，怎樣進(jìn)行力的合成等問題的理解都是模糊的。所以，“等效”思想需反復(fù)強(qiáng)調(diào)，以使之深入人心。

板書

如果一個(gè)力作用在物體上產(chǎn)生的效果跟幾個(gè)力共同作用在該物體上產(chǎn)生的效果相同，這個(gè)力就叫做那幾個(gè)力的合力(resultant force)，而那幾個(gè)力就叫做這個(gè)力的分力(components of force)。

2、實(shí)驗(yàn)論證、探究課題

設(shè)置陷阱

在圖1中，如果兩個(gè)小孩施加在水桶上的力都是200玁，那么一個(gè)大人需要施加多大的力才能等效替代?

一般回答：400玁！

可能回答：小于400N(一般是已預(yù)習(xí)過的學(xué)生或是參加競賽的學(xué)生)！

教師質(zhì)疑：你怎么知道?有科學(xué)依據(jù)嗎?……憑直覺得出結(jié)論，像亞里士多德那樣嗎?……若是伽利略會(huì)怎么做？

學(xué)生回答：做實(shí)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)說明：在“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”一節(jié)中曾介紹了伽利略的科學(xué)研究方法，在課堂教學(xué)中，只要有機(jī)會(huì)，就應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步滲透這些研究方法，以培養(yǎng)學(xué)生在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度下能夠養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣，并提高他們的實(shí)踐能力與科學(xué)素養(yǎng)。

探究過程 (分四人小組進(jìn)行)

教師活動(dòng)：給出實(shí)驗(yàn)的基本思路(如圖4所示)，并強(qiáng)調(diào)如何表示力。

設(shè)計(jì)說明：這個(gè)問題的提出可以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)矢量與標(biāo)量有本質(zhì)區(qū)別的認(rèn)識(shí)，還可以產(chǎn)生“懸念”，學(xué)生急于想知道：兩力的合成究竟應(yīng)怎樣進(jìn)行?有了懸疑，就會(huì)激發(fā)學(xué)生的求知欲，就會(huì)產(chǎn)生探求真知的強(qiáng)大動(dòng)力。這一“懸念”的創(chuàng)設(shè)在學(xué)生的大腦里立即會(huì)產(chǎn)生撞擊，思維被迅速地激活了，學(xué)生的求知欲望油然而生。在充分發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性的同時(shí)也提高了課堂效率。

交流和合作

老師引導(dǎo)：怎樣驗(yàn)證?是把三個(gè)力的箭頭連線起來確定是否平行四邊形嗎?這樣做存在什么問題?(由于實(shí)驗(yàn)存在誤差，很難確認(rèn)所畫四邊形就是平行四邊形。可先根據(jù)兩個(gè)分力畫出平行四邊形，再將其對(duì)角線與合力進(jìn)行對(duì)比，看是否重合或偏差有多大，是否是在誤差允許的范圍內(nèi)，是否可以被看作是一個(gè)平行四邊形。)

分組活動(dòng)：各自畫圖進(jìn)行驗(yàn)證……(要求三力畫實(shí)線、輔助線畫虛線)。

綜合分析程序：

①讓某小組匯報(bào)自己的探究結(jié)果(提倡學(xué)生上講臺(tái)利用實(shí)物投影進(jìn)行解說)，對(duì)比在夾角接近的情況下結(jié)果有什么相似之處和區(qū)別，分析存在的一些問題。

②再讓其他組匯報(bào)，對(duì)比在夾角相差較大的情況下結(jié)果有什么相似之處和區(qū)別，分析存在的一些問題。

設(shè)計(jì)說明：通過提示的方式，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律，既能發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用，又能充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)思維，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，提高實(shí)踐能力。

歸納結(jié)論

板書

力的合成法則——平行四邊形定則——三角形定則

3、歸納、總結(jié)、運(yùn)用課題

（1）適用條件

是否任何情況下，物體所受各力都可合成。(學(xué)生通過閱讀教材P63有關(guān)內(nèi)容，了解了共點(diǎn)力概念，知道力的合成法則適用于共點(diǎn)力問題)

（2）動(dòng)態(tài)分析

教師提問：當(dāng)兩個(gè)分力的大小一定，而夾角變大或變小時(shí)，合力大小會(huì)怎樣變化?

其變化范圍是怎樣的?

要求學(xué)生按圖5要求作圖(F₁=F₂)

設(shè)計(jì)說明：通過三組力的合成問題的分析，再一次強(qiáng)化力的合成中涉及的“等效替代”思想，這樣既可以加深對(duì)力的合成規(guī)律的理解，也有利于學(xué)生對(duì)物理學(xué)的重要研究方法——等效思維方法的領(lǐng)悟。

得出結(jié)論

夾角越小，合力越大。當(dāng)夾角為0°時(shí)，合力有最大值F_max=｜F₁+F₂｜。

夾角越大，合力越小。當(dāng)夾角為180°時(shí)，合力有最小值F_min=｜F₁-F₂｜。

這個(gè)表達(dá)式能否連在一起？

板書

｜F₁-F₂｜≤F≤｜F₁+F₂｜

結(jié)束語：這節(jié)課我們通過對(duì)共點(diǎn)力合成的科學(xué)探究過程，體會(huì)到了“等效思維方法”在科學(xué)研究中的魅力，同時(shí)還體驗(yàn)了類似于伽利略式的科學(xué)研究過程。希望同學(xué)們能養(yǎng)成科學(xué)意識(shí)，重視科學(xué)研究方法，在將來的學(xué)習(xí)和工作中能有所建樹。

（三）課堂小結(jié)

通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們發(fā)現(xiàn)力的合成一般不能象標(biāo)量那樣可以用簡單的“加減法”進(jìn)行運(yùn)算(同一直線上的力的合成除外)。通過探究，我們發(fā)現(xiàn)力的合成要按“平行四邊形定則”或“三角形定則”進(jìn)行。其實(shí)，這一運(yùn)算法則也是所有矢量運(yùn)算的普遍法則，因此大家要重視理解，學(xué)以致用。

（四）承前啟后的問題

實(shí)驗(yàn)演示：一根細(xì)繩能豎直掛起一個(gè)重物；用兩根同樣質(zhì)地的細(xì)繩代替它，并逐漸增大夾角……，當(dāng)夾角達(dá)到一定大小時(shí)，繩斷。

課后思考：為什么繩斷？是兩根繩子不如一根繩子嗎？是長的先斷還是短的先斷？為什么？課外研究一下。

設(shè)計(jì)說明：通過這一小實(shí)驗(yàn)，再一次讓學(xué)生感悟到合力不一定比分力大，合力的大小跟兩個(gè)分力的夾角大小有密切的關(guān)系。同時(shí)，也為下一節(jié)“力的分解”預(yù)設(shè)了一個(gè)值得研究的題材。

七、板書設(shè)計(jì) （略）

八、布置課后練習(xí) （略）

(欄目編輯鄧 磊)