高中物理人教版第三章相互作用4力的合成 获奖作品

《力的合成》教学设计一、学生学习情况及学习任务分析

人民教育出版社普通高中课程标准实验教科书（以下简称“人教版”）《物理》必修1第三章第四节“力的合成”，把实验探究求合力方法的过程作为本节课的重点内容，要求学生在学习重力、弹力、摩擦力等矢量的基础上，进一步探究矢量的运算方法。

高一学生刚接触矢量，对矢量的运算没有任何感性认识，没有任何生活经验可供借鉴，他们习惯的是仅有大小没有方向如质量、体积等物理量之间的代数运算。所谓“万事开头难”，力的合成法则对高一学生来说是一个难关，而一旦过了这个坎，则是学生认识上的一次质的飞跃。

意识到学生在这一问题上的巨大困难，一种简单易行的教学方法是分散教学难点，先教给学生力的合成法则，再让学生在实验验证和反复运用中逐步深化对力的合成法则的理解。但对照新课程理念对高中物理教学的要求，这样的处理又显然不是最佳的选择。一则，以提高学生科学素养为核心的新的教学理念把学生探究活动的过程、方法以及经历探究活动过程中的体验作为课程目标之一，正是像力的合成这样对学生来说全新的知识，学生在探究活动过程中的体验才更加真实而深刻，其效果远非那种目标和路线都明摆着的形式化的探究活动可比。二则，正因为学生对矢量运算是完全陌生的，放慢教学过程，让学生在探究过程中获得切身体验，也有利于学生更深刻的理解矢量的合成法则。三则，从知识上说，学生在前面已经学过运动学，对运动学中的矢量，如位移速度等，在生活中还是有一定的感性认识的，尤其是对两段位移总位移的讨论，形象直观，对力的平行四边形法则有一定的启示；从方法和习惯上来说，随着新课程的实施和推进，学生对于科学探究尤其是实验探究已经积累了一定的体验和认识，也勇于发表自己的看法，良好的学习习惯和课堂氛围也为学生自主探究力的合成法则提供了保障。

综上所述，本节课的教学目标可确定为：(1)从力的作用效果出发研究合力与分力间关系；(2)通过实验探究得出力的平行四边形定则；(3)体会等效的思想方法，参与实验探究力的合成法则的过程，体会实验归纳的方法；(4)体会在科学探究中既要大胆猜想，也要严谨求证。

本节课的教学重点是实验探究力的合成的规律。设计实验，利用实验得到合力与分力的大小和方向，猜想它们之间所遵循的运算规律则是本节课的教学难点。考虑到学生的实际困难，教师设置好引导学生步步深入进行探究的情景和问题，适时、适度地参与学生的探究活动则显得尤为重要。

二、课堂教学设计理念与教学思路

为了让学生更好地体验科学探究的方法和过程，发展自主学习能力，培养良好的思维品质，本节课的教学采用如下教学流程：小实验创设情境一提出问题一设计方案一分组实验一引导启发猜想一实验验证一得出结论。教学过程中注重教师的“导”和“参与”，适时、适度地参与学生的探究活动，淡化教师的“教”；注重学生对知识的自主学习与自我构建，强化小组学习与小组交流，淡化机械训练，摒弃灌输式教学；在师生互动、互助的氛围中达到学习的目的。

三、教学准备

系上绳子的一组杠铃片，用来创设一个学生感兴趣的力的等效替代的情景。

人教版新课标教材上的探究实验只能提供一组特殊数据，对于学生体验探究力的合成法则是远远不够的，这里把实验改成先用弹簧秤和重锤初步研究合力与分力的关系做铺垫，再用橡皮条和弹簧秤在白纸上研究力的合成法则（即原教材中验证力的平行四边形定则的学生实验）。学生每两人一组下列器材：平行四边形法则演示器、方木板、白纸、弹簧秤（两个）、橡皮条、细绳两条、三角板、刻度尺、图钉（几个）、带有绳套的重锤（约300g）

四、教学过程

1．小实验设置情景，渗透科学方法

一力气大的同学一人提起杠铃片，使杠铃片保持静止；另外两位同学一起通过拉动绳子将杠铃提起并使之保持静止，从实验中有什么发现？分析两种情况下杠铃片的受力情况并画出力的示意图如图1、2所示，F与F1、F2是什么关系？引出力的等效替代关系，得出合力与分力的概念。

图1

图2

教学中渗透等效替代的思想方法，即分力与合力虽然不同时作用在物体上，但可以相互替代，能够相互替代的条件是分力与合力的作用效果相同，但不能同时考虑分力的作用又考虑合力的作用。

2．分组实验，激发思考

那么合力和分力之间遵循怎样的规律呢？具体的说，上面的例子里F与F1、F2的大小方向存在怎样的关系？猜想，并利用桌子上的实验器材，设计实验验证你的猜想。

可能会有学生猜想F=F1+F2，实际上猜想不一定要正确，与实验证实相比，实验证伪更能反映科学研究活动的真实情况。可用重锤模拟上面小实验中的杠铃片，两个弹簧秤可分别读出F与F1、F2的大小。

将各组实验数据记入下表中，事实上用一个弹簧秤秤重锤时读数为一确定值，而用两个弹簧秤互成角度秤重锤时的读数各不相同。

实验小组1234567891011

弹簧秤1的读书/N

…弹簧秤2的读书/N

…

由上述表格中的数据，能得出什么结论？

看来分力F1、F2与合力F之间的运算关系不是简单的代数和运算，似乎还与分力F1、F2的方向有关，那么，如何探究它们之间的关系呢？首先我们要想办法把合力和分力的大小方向记录下来并方便地表达出来，怎样做呢?

3．设计方案，促进合作

请同学们利用桌子上的实验器材，设计方案，探究分力与合力之间的运算法则。若提供的实验器材不能满足你的设计要求，可报告教师。

每一小组在设计方案的过程中，思考以下几个问题：

(1)用什么方法找出分力F1、F2及合力F；

(2)怎样使分力F1、F2的作用效果与合力F的作用效果相同？

(3)实验过程中需要记录哪些实验数据？怎样可以直观简洁的同时描述力的大小和方向？

各小组分别讨论，经互相补充和完善后，形成探究方案。

经实验可得到F1、F2及F的图示如图3所示。

3

4．启发思考，民主互动

观察图3中F1、F2及F的大小和方向，并猜想F1、F2之和与F之间可能遵守什么规律？

部分同学的猜想可能不着边际，还有一部分同学感到问题棘手，不知道解决问题的突破口在哪里。此时，教师参与学生的猜想和讨论，可以以自言自语的方式给学生一些提示：“在学习平面几何时，可以利用添加辅助线的方法，重新构建几何图形，使得已知量和未知量之间建立联系。我们能否通过添加辅助线的方法构成一些简单图形如三角形、四边形等，使得F1、F2与F之间建立某种联系？”在老师的引导下，利用添加辅助线的方法，学生可能形成如下的探究方案：

方案1：如图4所示，过F1和F2的末端A、B作力F的方向OE的垂线交OE于C、D两点，则OC+OD即为合力F的大小。

图4

方案2：如图5所示，用虚线连接F1和F的末端A、E，则AOE就构成一个三角形，F1、F2和F三个物理量之中已有两个量在构成的三角形中，但分力F2与三角形之间还没有联系，仅连接AE还不能解决问题。

图5

方案3：和方案2类似，用虚线连接F2和F的末端B、E，BOE就构成一个三角形，要想知道F1、F2和F之间的关系，则需确定BE与F1之间的联系或者确定AE与F2之间的联系。另外，有的小组将A、B相连，AOB构成一个三角形；有的将A、E相连，B、E相连，AOBE构成一个四边形等等。

评价：对于方案1，同学们有这样的设想是值得肯定的，里面实际上蕴藏了正交分解的思想，但问题是事先不知道合力F的方向，那么，从A、B出发向什么方向作垂线得到C、D两点？显然这种方法有缺陷，还需进行一步研究。

对于方案2，同学们利用添加辅助线的方法，使F1、F构成三角形的两边，若想深入研究，还需确定AE与分力F2之间的关系，请进一步猜想AE与分力F2的大小是否相等？AE与F2的方向是否平行？

既然连接AE或连接BE构成的三角形，仅能使F1和F或F2和F建立联系，那么，同时连接AE和BE，在四边形AOBE中，F1、F2和F三个物理量都包含在里面，F1和F2四边形的两边，F是其一条对角线。请同学们认真观察一下四边形AOBE，并猜想四边形AOBE有什么特点？

经观察、实验和分析，发现AOBE为近似平行四边形，于是猜想出合力与分力的关系所满足的平行四边形定则。为验证平行四边形定则，重做刚才的实验，比较用平行四边形定则得到的合力与实际合力的误差。

5．延伸拓展，巩固提高

一般的巩固提高都着眼于平行四边形法则的运用与练习，如“合力F的大小一定比分力F1或F2大吗？可能比F1或F2都小吗？”这样的问题，或用几何画板等巩固学生对平行四边形法则的掌握与理解，但是本节课的重点是探究力的合成法则的过程，因此，巩固练习也应该是有关过程和方法的迁移运用。

这里设置这样的问题：某同学用实验研究同方向平行力的合成。他把一根很轻（重力不计）的刻度尺挂在两个橡皮条下，然后在任意两点A1、A2挂上重力为G1、G2的钩码（如图6）记下刻度尺和A1、A2位置，以及G1、G2的大小。接着他取下G1、G2钩码，在刻度尺上0点挂钩码G，并调整0的位置和G的大小使得刻度尺的位置和原来一样(如图7)，记下0的位置和G的大小。他经过多次实验，实验数据如表所示：

实验次数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)该同学实验中，“使得刻度尺的位置和原来一样”的目的是什么？

图6

图7

(2)根据表格中的数据，两个同向平行力F1、F2和它们的合力F的大小关系是什么？合力F的作用点D到分力F1、F2的作用点A1、A2的距离的关系是怎样的？

五、教学后记

本节课的教学设计，强调学生的探究过程和探究过程中的方法与体验，把教师作为学生探究活动的参与者，随时与