高中物理人教版第三章相互作用4力的合成（區(qū)一等獎）

《力的合成》教學設計一、學生學習情況及學習任務分析人民教育出版社普通高中課程標準實驗教科書（以下簡稱“人教版”）《物理》必修1第三章第四節(jié)“力的合成”，把實驗探究求合力方法的過程作為本節(jié)課的重點內(nèi)容，要求學生在學習重力、彈力、摩擦力等矢量的基礎上，進一步探究矢量的運算方法。高一學生剛接觸矢量，對矢量的運算沒有任何感性認識，沒有任何生活經(jīng)驗可供借鑒，他們習慣的是僅有大小沒有方向如質(zhì)量、體積等物理量之間的代數(shù)運算。所謂“萬事開頭難”，力的合成法則對高一學生來說是一個難關，而一旦過了這個坎，則是學生認識上的一次質(zhì)的飛躍。意識到學生在這一問題上的巨大困難，一種簡單易行的教學方法是分散教學難點，先教給學生力的合成法則，再讓學生在實驗驗證和反復運用中逐步深化對力的合成法則的理解。但對照新課程理念對高中物理教學的要求，這樣的處理又顯然不是最佳的選擇。一則，以提高學生科學素養(yǎng)為核心的新的教學理念把學生探究活動的過程、方法以及經(jīng)歷探究活動過程中的體驗作為課程目標之一，正是像力的合成這樣對學生來說全新的知識，學生在探究活動過程中的體驗才更加真實而深刻，其效果遠非那種目標和路線都明擺著的形式化的探究活動可比。二則，正因為學生對矢量運算是完全陌生的，放慢教學過程，讓學生在探究過程中獲得切身體驗，也有利于學生更深刻的理解矢量的合成法則。三則，從知識上說，學生在前面已經(jīng)學過運動學，對運動學中的矢量，如位移速度等，在生活中還是有一定的感性認識的，尤其是對兩段位移總位移的討論，形象直觀，對力的平行四邊形法則有一定的啟示；從方法和習慣上來說，隨著新課程的實施和推進，學生對于科學探究尤其是實驗探究已經(jīng)積累了一定的體驗和認識，也勇于發(fā)表自己的看法，良好的學習習慣和課堂氛圍也為學生自主探究力的合成法則提供了保障。綜上所述，本節(jié)課的教學目標可確定為：(1)從力的作用效果出發(fā)研究合力與分力間關系；(2)通過實驗探究得出力的平行四邊形定則；(3)體會等效的思想方法，參與實驗探究力的合成法則的過程，體會實驗歸納的方法；(4)體會在科學探究中既要大膽猜想，也要嚴謹求證。本節(jié)課的教學重點是實驗探究力的合成的規(guī)律。設計實驗，利用實驗得到合力與分力的大小和方向，猜想它們之間所遵循的運算規(guī)律則是本節(jié)課的教學難點?？紤]到學生的實際困難，教師設置好引導學生步步深入進行探究的情景和問題，適時、適度地參與學生的探究活動則顯得尤為重要。二、課堂教學設計理念與教學思路為了讓學生更好地體驗科學探究的方法和過程，發(fā)展自主學習能力，培養(yǎng)良好的思維品質(zhì)，本節(jié)課的教學采用如下教學流程：小實驗創(chuàng)設情境一提出問題一設計方案一分組實驗一引導啟發(fā)猜想一實驗驗證一得出結論。教學過程中注重教師的“導”和“參與”，適時、適度地參與學生的探究活動，淡化教師的“教”；注重學生對知識的自主學習與自我構建，強化小組學習與小組交流，淡化機械訓練，摒棄灌輸式教學；在師生互動、互助的氛圍中達到學習的目的。三、教學準備系上繩子的一組杠鈴片，用來創(chuàng)設一個學生感興趣的力的等效替代的情景。人教版新課標教材上的探究實驗只能提供一組特殊數(shù)據(jù)，對于學生體驗探究力的合成法則是遠遠不夠的，這里把實驗改成先用彈簧秤和重錘初步研究合力與分力的關系做鋪墊，再用橡皮條和彈簧秤在白紙上研究力的合成法則（即原教材中驗證力的平行四邊形定則的學生實驗）。學生每兩人一組下列器材：平行四邊形法則演示器、方木板、白紙、彈簧秤（兩個）、橡皮條、細繩兩條、三角板、刻度尺、圖釘（幾個）、帶有繩套的重錘（約300g）四、教學過程1．小實驗設置情景，滲透科學方法一力氣大的同學一人提起杠鈴片，使杠鈴片保持靜止；另外兩位同學一起通過拉動繩子將杠鈴提起并使之保持靜止，從實驗中有什么發(fā)現(xiàn)？分析兩種情況下杠鈴片的受力情況并畫出力的示意圖如圖1、2所示，F(xiàn)與F1、F2是什么關系？引出力的等效替代關系，得出合力與分力的概念。圖1圖2教學中滲透等效替代的思想方法，即分力與合力雖然不同時作用在物體上，但可以相互替代，能夠相互替代的條件是分力與合力的作用效果相同，但不能同時考慮分力的作用又考慮合力的作用。2．分組實驗，激發(fā)思考那么合力和分力之間遵循怎樣的規(guī)律呢？具體的說，上面的例子里F與F1、F2的大小方向存在怎樣的關系？猜想，并利用桌子上的實驗器材，設計實驗驗證你的猜想?？赡軙袑W生猜想F=F1+F2，實際上猜想不一定要正確，與實驗證實相比，實驗證偽更能反映科學研究活動的真實情況?？捎弥劐N模擬上面小實驗中的杠鈴片，兩個彈簧秤可分別讀出F與F1、F2的大小。將各組實驗數(shù)據(jù)記入下表中，事實上用一個彈簧秤秤重錘時讀數(shù)為一確定值，而用兩個彈簧秤互成角度秤重錘時的讀數(shù)各不相同。實驗小組1234567891011彈簧秤1的讀書/N…彈簧秤2的讀書/N…由上述表格中的數(shù)據(jù)，能得出什么結論？看來分力F1、F2與合力F之間的運算關系不是簡單的代數(shù)和運算，似乎還與分力F1、F2的方向有關，那么，如何探究它們之間的關系呢？首先我們要想辦法把合力和分力的大小方向記錄下來并方便地表達出來，怎樣做呢?3．設計方案，促進合作請同學們利用桌子上的實驗器材，設計方案，探究分力與合力之間的運算法則。若提供的實驗器材不能滿足你的設計要求，可報告教師。每一小組在設計方案的過程中，思考以下幾個問題：(1)用什么方法找出分力F1、F2及合力F；(2)怎樣使分力F1、F2的作用效果與合力F的作用效果相同？(3)實驗過程中需要記錄哪些實驗數(shù)據(jù)？怎樣可以直觀簡潔的同時描述力的大小和方向？各小組分別討論，經(jīng)互相補充和完善后，形成探究方案。經(jīng)實驗可得到F1、F2及F的圖示如圖3所示。34．啟發(fā)思考，民主互動觀察圖3中F1、F2及F的大小和方向，并猜想F1、F2之和與F之間可能遵守什么規(guī)律？部分同學的猜想可能不著邊際，還有一部分同學感到問題棘手，不知道解決問題的突破口在哪里。此時，教師參與學生的猜想和討論，可以以自言自語的方式給學生一些提示：“在學習平面幾何時，可以利用添加輔助線的方法，重新構建幾何圖形，使得已知量和未知量之間建立聯(lián)系。我們能否通過添加輔助線的方法構成一些簡單圖形如三角形、四邊形等，使得F1、F2與F之間建立某種聯(lián)系？”在老師的引導下，利用添加輔助線的方法，學生可能形成如下的探究方案：方案1：如圖4所示，過F1和F2的末端A、B作力F的方向OE的垂線交OE于C、D兩點，則OC+OD即為合力F的大小。圖4方案2：如圖5所示，用虛線連接F1和F的末端A、E，則AOE就構成一個三角形，F(xiàn)1、F2和F三個物理量之中已有兩個量在構成的三角形中，但分力F2與三角形之間還沒有聯(lián)系，僅連接AE還不能解決問題。圖5方案3：和方案2類似，用虛線連接F2和F的末端B、E，BOE就構成一個三角形，要想知道F1、F2和F之間的關系，則需確定BE與F1之間的聯(lián)系或者確定AE與F2之間的聯(lián)系。另外，有的小組將A、B相連，AOB構成一個三角形；有的將A、E相連，B、E相連，AOBE構成一個四邊形等等。評價：對于方案1，同學們有這樣的設想是值得肯定的，里面實際上蘊藏了正交分解的思想，但問題是事先不知道合力F的方向，那么，從A、B出發(fā)向什么方向作垂線得到C、D兩點？顯然這種方法有缺陷，還需進行一步研究。對于方案2，同學們利用添加輔助線的方法，使F1、F構成三角形的兩邊，若想深入研究，還需確定AE與分力F2之間的關系，請進一步猜想AE與分力F2的大小是否相等？AE與F2的方向是否平行？既然連接AE或連接BE構成的三角形，僅能使F1和F或F2和F建立聯(lián)系，那么，同時連接AE和BE，在四邊形AOBE中，F(xiàn)1、F2和F三個物理量都包含在里面，F(xiàn)1和F2四邊形的兩邊，F(xiàn)是其一條對角線。請同學們認真觀察一下四邊形AOBE，并猜想四邊形AOBE有什么特點？經(jīng)觀察、實驗和分析，發(fā)現(xiàn)AOBE為近似平行四邊形，于是猜想出合力與分力的關系所滿足的平行四邊形定則。為驗證平行四邊形定則，重做剛才的實驗，比較用平行四邊形定則得到的合力與實際合力的誤差。5．延伸拓展，鞏固提高一般的鞏固提高都著眼于平行四邊形法則的運用與練習，如“合力F的大小一定比分力F1或F2大嗎？可能比F1或F2都小嗎？”這樣的問題，或用幾何畫板等鞏固學生對平行四邊形法則的掌握與理解，但是本節(jié)課的重點是探究力的合成法則的過程，因此，鞏固練習也應該是有關過程和方法的遷移運用。這里設置這樣的問題：某同學用實驗研究同方向平行力的合成。他把一根很輕（重力不計）的刻度尺掛在兩個橡皮條下，然后在任意兩點A1、A2掛上重力為G1、G2的鉤碼（如圖6）記下刻度尺和A1、A2位置，以及G1、G2的大小。接著他取下G1、G2鉤碼，在刻度尺上0點掛鉤碼G，并調(diào)整0的位置和G的大小使得刻度尺的位置和原來一樣(如圖7)，記下0的位置和G的大小。他經(jīng)過多次實驗，實驗數(shù)據(jù)如表所示：實驗次數(shù)G1/NG2/NG/NA1O/cmA2O/cm11．51．02．510．015．022．01．03．010．020．031．52．03．520．015．042．01．53．57．510．0(1)該同學實驗中，“使得刻度尺的位置和原來一樣”的目的是什么？圖6圖7(2)根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)，兩個同向平行力F1、F2和它們的合力F的大小關系是什么？合力F的作用點D到分力F1、F2的作用點A1、A2的距離的關系是怎樣的？五、教學后記本節(jié)課的教學設計，強調(diào)學生的探究過程和探究過程中的方法與體驗，把教師作為學生探究活動的參與者，隨時與學生進行