高中物理人教版第三章相互作用4力的合成（區(qū)一等獎(jiǎng)）

《力的合成》教學(xué)設(shè)計(jì)一、學(xué)生學(xué)習(xí)情況及學(xué)習(xí)任務(wù)分析人民教育出版社普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“人教版”）《物理》必修1第三章第四節(jié)“力的合成”，把實(shí)驗(yàn)探究求合力方法的過(guò)程作為本節(jié)課的重點(diǎn)內(nèi)容，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)重力、彈力、摩擦力等矢量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究矢量的運(yùn)算方法。高一學(xué)生剛接觸矢量，對(duì)矢量的運(yùn)算沒(méi)有任何感性認(rèn)識(shí)，沒(méi)有任何生活經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，他們習(xí)慣的是僅有大小沒(méi)有方向如質(zhì)量、體積等物理量之間的代數(shù)運(yùn)算。所謂“萬(wàn)事開(kāi)頭難”，力的合成法則對(duì)高一學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)難關(guān)，而一旦過(guò)了這個(gè)坎，則是學(xué)生認(rèn)識(shí)上的一次質(zhì)的飛躍。意識(shí)到學(xué)生在這一問(wèn)題上的巨大困難，一種簡(jiǎn)單易行的教學(xué)方法是分散教學(xué)難點(diǎn)，先教給學(xué)生力的合成法則，再讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和反復(fù)運(yùn)用中逐步深化對(duì)力的合成法則的理解。但對(duì)照新課程理念對(duì)高中物理教學(xué)的要求，這樣的處理又顯然不是最佳的選擇。一則，以提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為核心的新的教學(xué)理念把學(xué)生探究活動(dòng)的過(guò)程、方法以及經(jīng)歷探究活動(dòng)過(guò)程中的體驗(yàn)作為課程目標(biāo)之一，正是像力的合成這樣對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)全新的知識(shí)，學(xué)生在探究活動(dòng)過(guò)程中的體驗(yàn)才更加真實(shí)而深刻，其效果遠(yuǎn)非那種目標(biāo)和路線都明擺著的形式化的探究活動(dòng)可比。二則，正因?yàn)閷W(xué)生對(duì)矢量運(yùn)算是完全陌生的，放慢教學(xué)過(guò)程，讓學(xué)生在探究過(guò)程中獲得切身體驗(yàn)，也有利于學(xué)生更深刻的理解矢量的合成法則。三則，從知識(shí)上說(shuō)，學(xué)生在前面已經(jīng)學(xué)過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)，對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)中的矢量，如位移速度等，在生活中還是有一定的感性認(rèn)識(shí)的，尤其是對(duì)兩段位移總位移的討論，形象直觀，對(duì)力的平行四邊形法則有一定的啟示；從方法和習(xí)慣上來(lái)說(shuō)，隨著新課程的實(shí)施和推進(jìn)，學(xué)生對(duì)于科學(xué)探究尤其是實(shí)驗(yàn)探究已經(jīng)積累了一定的體驗(yàn)和認(rèn)識(shí)，也勇于發(fā)表自己的看法，良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和課堂氛圍也為學(xué)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(xué)目標(biāo)可確定為：(1)從力的作用效果出發(fā)研究合力與分力間關(guān)系；(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究得出力的平行四邊形定則；(3)體會(huì)等效的思想方法，參與實(shí)驗(yàn)探究力的合成法則的過(guò)程，體會(huì)實(shí)驗(yàn)歸納的方法；(4)體會(huì)在科學(xué)探究中既要大膽猜想，也要嚴(yán)謹(jǐn)求證。本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)探究力的合成的規(guī)律。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)得到合力與分力的大小和方向，猜想它們之間所遵循的運(yùn)算規(guī)律則是本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)?？紤]到學(xué)生的實(shí)際困難，教師設(shè)置好引導(dǎo)學(xué)生步步深入進(jìn)行探究的情景和問(wèn)題，適時(shí)、適度地參與學(xué)生的探究活動(dòng)則顯得尤為重要。二、課堂教學(xué)設(shè)計(jì)理念與教學(xué)思路為了讓學(xué)生更好地體驗(yàn)科學(xué)探究的方法和過(guò)程，發(fā)展自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)良好的思維品質(zhì)，本節(jié)課的教學(xué)采用如下教學(xué)流程：小實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境一提出問(wèn)題一設(shè)計(jì)方案一分組實(shí)驗(yàn)一引導(dǎo)啟發(fā)猜想一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一得出結(jié)論。教學(xué)過(guò)程中注重教師的“導(dǎo)”和“參與”，適時(shí)、適度地參與學(xué)生的探究活動(dòng)，淡化教師的“教”；注重學(xué)生對(duì)知識(shí)的自主學(xué)習(xí)與自我構(gòu)建，強(qiáng)化小組學(xué)習(xí)與小組交流，淡化機(jī)械訓(xùn)練，摒棄灌輸式教學(xué)；在師生互動(dòng)、互助的氛圍中達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。三、教學(xué)準(zhǔn)備系上繩子的一組杠鈴片，用來(lái)創(chuàng)設(shè)一個(gè)學(xué)生感興趣的力的等效替代的情景。人教版新課標(biāo)教材上的探究實(shí)驗(yàn)只能提供一組特殊數(shù)據(jù)，對(duì)于學(xué)生體驗(yàn)探究力的合成法則是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這里把實(shí)驗(yàn)改成先用彈簧秤和重錘初步研究合力與分力的關(guān)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(yàn)證力的平行四邊形定則的學(xué)生實(shí)驗(yàn)）。學(xué)生每?jī)扇艘唤M下列器材：平行四邊形法則演示器、方木板、白紙、彈簧秤（兩個(gè)）、橡皮條、細(xì)繩兩條、三角板、刻度尺、圖釘（幾個(gè)）、帶有繩套的重錘（約300g）四、教學(xué)過(guò)程1．小實(shí)驗(yàn)設(shè)置情景，滲透科學(xué)方法一力氣大的同學(xué)一人提起杠鈴片，使杠鈴片保持靜止；另外兩位同學(xué)一起通過(guò)拉動(dòng)繩子將杠鈴提起并使之保持靜止，從實(shí)驗(yàn)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(huà)出力的示意圖如圖1、2所示，F(xiàn)與F1、F2是什么關(guān)系？引出力的等效替代關(guān)系，得出合力與分力的概念。圖1圖2教學(xué)中滲透等效替代的思想方法，即分力與合力雖然不同時(shí)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(shí)考慮分力的作用又考慮合力的作用。2．分組實(shí)驗(yàn)，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(shuō)，上面的例子里F與F1、F2的大小方向存在怎樣的關(guān)系？猜想，并利用桌子上的實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證你的猜想。可能會(huì)有學(xué)生猜想F=F1+F2，實(shí)際上猜想不一定要正確，與實(shí)驗(yàn)證實(shí)相比，實(shí)驗(yàn)證偽更能反映科學(xué)研究活動(dòng)的真實(shí)情況。可用重錘模擬上面小實(shí)驗(yàn)中的杠鈴片，兩個(gè)彈簧秤可分別讀出F與F1、F2的大小。將各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入下表中，事實(shí)上用一個(gè)彈簧秤秤重錘時(shí)讀數(shù)為一確定值，而用兩個(gè)彈簧秤互成角度秤重錘時(shí)的讀數(shù)各不相同。實(shí)驗(yàn)小組1234567891011彈簧秤1的讀書(shū)/N…彈簧秤2的讀書(shū)/N…由上述表格中的數(shù)據(jù)，能得出什么結(jié)論？看來(lái)分力F1、F2與合力F之間的運(yùn)算關(guān)系不是簡(jiǎn)單的代數(shù)和運(yùn)算，似乎還與分力F1、F2的方向有關(guān)，那么，如何探究它們之間的關(guān)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(lái)并方便地表達(dá)出來(lái)，怎樣做呢?3．設(shè)計(jì)方案，促進(jìn)合作請(qǐng)同學(xué)們利用桌子上的實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)方案，探究分力與合力之間的運(yùn)算法則。若提供的實(shí)驗(yàn)器材不能滿(mǎn)足你的設(shè)計(jì)要求，可報(bào)告教師。每一小組在設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中，思考以下幾個(gè)問(wèn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要記錄哪些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？怎樣可以直觀簡(jiǎn)潔的同時(shí)描述力的大小和方向？各小組分別討論，經(jīng)互相補(bǔ)充和完善后，形成探究方案。經(jīng)實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(xué)的猜想可能不著邊際，還有一部分同學(xué)感到問(wèn)題棘手，不知道解決問(wèn)題的突破口在哪里。此時(shí)，教師參與學(xué)生的猜想和討論，可以以自言自語(yǔ)的方式給學(xué)生一些提示：“在學(xué)習(xí)平面幾何時(shí)，可以利用添加輔助線的方法，重新構(gòu)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(guò)添加輔助線的方法構(gòu)成一些簡(jiǎn)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(dǎo)下，利用添加輔助線的方法，學(xué)生可能形成如下的探究方案：方案1：如圖4所示，過(guò)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(diǎn)，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(gòu)成一個(gè)三角形，F(xiàn)1、F2和F三個(gè)物理量之中已有兩個(gè)量在構(gòu)成的三角形中，但分力F2與三角形之間還沒(méi)有聯(lián)系，僅連接AE還不能解決問(wèn)題。圖5方案3：和方案2類(lèi)似，用虛線連接F2和F的末端B、E，BOE就構(gòu)成一個(gè)三角形，要想知道F1、F2和F之間的關(guān)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(gòu)成一個(gè)三角形；有的將A、E相連，B、E相連，AOBE構(gòu)成一個(gè)四邊形等等。評(píng)價(jià)：對(duì)于方案1，同學(xué)們有這樣的設(shè)想是值得肯定的，里面實(shí)際上蘊(yùn)藏了正交分解的思想，但問(wèn)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(diǎn)？顯然這種方法有缺陷，還需進(jìn)行一步研究。對(duì)于方案2，同學(xué)們利用添加輔助線的方法，使F1、F構(gòu)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(guān)系，請(qǐng)進(jìn)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(gòu)成的三角形，僅能使F1和F或F2和F建立聯(lián)系，那么，同時(shí)連接AE和BE，在四邊形AOBE中，F(xiàn)1、F2和F三個(gè)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(duì)角線。請(qǐng)同學(xué)們認(rèn)真觀察一下四邊形AOBE，并猜想四邊形AOBE有什么特點(diǎn)？經(jīng)觀察、實(shí)驗(yàn)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(guān)系所滿(mǎn)足的平行四邊形定則。為驗(yàn)證平行四邊形定則，重做剛才的實(shí)驗(yàn)，比較用平行四邊形定則得到的合力與實(shí)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(yùn)用與練習(xí)，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(wèn)題，或用幾何畫(huà)板等鞏固學(xué)生對(duì)平行四邊形法則的掌握與理解，但是本節(jié)課的重點(diǎn)是探究力的合成法則的過(guò)程，因此，鞏固練習(xí)也應(yīng)該是有關(guān)過(guò)程和方法的遷移運(yùn)用。這里設(shè)置這樣的問(wèn)題：某同學(xué)用實(shí)驗(yàn)研究同方向平行力的合成。他把一根很輕（重力不計(jì)）的刻度尺掛在兩個(gè)橡皮條下，然后在任意兩點(diǎn)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(diǎn)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(lái)一樣(如圖7)，記下0的位置和G的大小。他經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表所示：實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)中，“使得刻度尺的位置和原來(lái)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(gè)同向平行力F1、F2和它們的合力F的大小關(guān)系是什么？合力F的作用點(diǎn)D到分力F1、F2的作用點(diǎn)A1、A2的距離的關(guān)系是怎樣的？五、教學(xué)后記本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的探究過(guò)程和探究過(guò)程中的方法與體驗(yàn)，把教師作為學(xué)生探究活動(dòng)的參與者，隨時(shí)與學(xué)生進(jìn)行