巧设情境变式 逐步突破难点

来源 :启迪与智慧·下旬刊 | 被引量 : 0次 | 上传用户:weilai0769
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  “共点力平衡”是牛顿运动定律的重要应用之一,而高一的学生在处理这类问题时往往不得要领。为了解决这一教学难点,笔者尝试从学生熟悉的“二力平衡”问题切入教学,让学生在难度递增的情境及其变式中,体会共点力平衡问题的解决思路和处理方法。
  在此过程中,重点引导将“共点力平衡”转化为一维的“共线力平衡”的解决思路,强化矢量运算法则“力的合成与分解”的处理方法,渗透“运动与相互作用”的物理观念,从而高效地完成“共点力平衡”的复习。
  一、情境原型:二力平衡
  【情境一】一个物体静止在水平面上,讨论物体受力情况,如图(1)。
  运动分析:物体处于什么状态?(静止)
  受力分析:物体受到哪些力?它们的大小、方向有何关系?它们的合力等于多少?(物体受重力和支持力,兩个力等大、反向、共线,合力为0。)
  【分析及反思】
  (1)初高中知识块的联结
  学生在初中已经学过“二力平衡”的条件,在此引入高中所学的“牛顿第二定律”中“F合= ma”,体会当物体处于静止(运动状态:a=0)时,物体的合力也为0(受力状态:F合 = ma =0),实现初高中的知识块的有效联结。
  (2)“运动与相互作用观念”的渗透
  “物理观念”是高中物理学科核心素养之一,即从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识,而共点力平衡问题正是“运动与相互作用”的特例分析,这正是培养学生用牛顿运动定律,学会从运动状态分析受力情况,形成从物理视角观察世界基本认识的好时机。
  二、情境初阶变式:共线力的平衡
  1.共线的三力平衡
  【情境二】继情境一,在物体上加一个小物体,讨论被压物体的受力情况,如图(2)。
  运动分析:物体处于什么状态?(静止)
  受力分析:物体受到哪些力?它们的大小、方向有何关系?它们的合力等于多少?(物体受重力、支持力、压力,三力合力为0。)
  【分析及反思】
  (1)对比与情境一的异同点
  相同点:物体都处于静止的平衡状态。
  不同点:物体还受到一个向下的压力,三个力满足“FN = F压+G”,且F合=ma 。
  (2)反思本质,体会“共线”
  引导学生发现“F压+G”是压力和重力的合力,“共线”合成这两个力后的合力与F合满足二力平衡(已学)。重点让学生体会“共线”力的平衡问题之所以简单,是因为“共线”力的合成运算只需要代数计算,不涉及平行四边形定则,所以运算起来比较简单。
  2. 共线的多力平衡
  【情境三】继情境二,给物体施加一个向上的力,物体仍静止,讨论物体的受力情况,如图(3)。
  运动分析:物体处于什么状态?(静止)
  受力分析:物体受到哪些力?它们的大小、方向有何关系?它们的合力等于多少?(物体受重力、支持力、压力、拉力F,四力合力为0。)
  【分析及反思】
  (1)强化“共线”的优势
  无论物体受力的个数多少,只要所受的力全部“共线”,平衡问题就很容易解决。
  (2)体会“矢量运算法则”的工具性。
  “共线力的平衡问题”的解决基于共线的矢量运算法则,体会矢量运算为解决此类问题的工具,为下面的“不共线力”的平衡问题做铺垫。
  三、情境高阶变式:不共线力的平衡
  不共线的三力平衡
  【情境四】一个物体静止在斜面上,讨论物体的受力情况,如图(4)。
  运动分析:物体处于什么状态?(静止)
  受力分析:物体受到哪些力?它们的大小、方向有何关系?它们的合力等于多少?(物体受重力、支持力、摩擦力,三力合力为0。)
  【分析及反思】
  (1)对比情境二(共线的三力平衡)的异同点
  相同点:物体都处于静止的平衡状态,合力为0。
  不同点:情境四中的物体所受的三个力不共线,因而三力的关系不明确。
  (2)思路的迁徙,工具的应用
  体会情境二的本质,即“共线”合成了三力中的两个力,进而找到三力的关系。寻着这样的思路,合成不共线的两个力成为待解决的问题。通过情境三最后的铺垫,学生自然而然可以想到平行四边形定则这一矢量运算的工具,可以实现将“不共线”问题到“共线”问题这一转化。
  (3)矢量运算工具的应用
  处理方式一:力的合成
  合成这三个力中任意两个力,从而实现从“不共线”的三力平衡(二维)到“二力”的共线平衡,如图(5)。
  处理方式二:力的分解
  按其中两个力的方向分解第三个力,从而实现“不共线”的三力平衡(二维)到“共线”的两个方向的二力平衡(一维),如图(6)。
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