3.5 共点力的平衡 教学设计
文档属性
| 名称 | 3.5 共点力的平衡 教学设计 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 339.7KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-01-29 20:57:24 | ||
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文档简介
共点力的平衡教学设计
【教材版本】
选自人教版高中物理必修第一册第三章第五节。
【设计理念】
激发兴趣：在高中阶段，不少学生感觉物理是一门理论性很强且枯燥的学科，因此要创设一定的物理情景从而激发学生的学习兴趣。在本节课的教学过程中，通过播放杂技演员走钢丝视频，让学生置身于物理情景之中，激发他们的学习兴趣。
自主探究：本节课引导学生自主进行实验探究，得出共点力平衡的应用。采取如下步骤：提出方案——实验探究——理论验证——解决问题。在此过程中，充分体现以教师为主导、学生为主体的新课程理念，激发学生自主学习，培养其动手、独立思考的能力，培养其形成严谨认真、实事求是的科学态度。在此过程中注重物理学科本质的体现，培养学生科学探究能力。
联系生活：本节课选取阿迪力走钢丝、小虫爬出半球形碗两道例题，目的在于加强物理知识与实际生活场景的联系，并使学生认识到物理与生活密切相关，提高学生将物理知识应用到解决实际问题的意识。
注重归纳：在中学物理课程的学习中，物理规律的应用是一大难点，也是学生们比较头疼的地方。在讲解两道例题的过程中，注重引导物理模型的构建；讲解完毕之后，对例题的解题思路进行归纳总结，并将解口诀，促进学生科学思维能力的发展。
【教材分析】
《共点力平衡条件应用》一节的内容主要为共点力平衡条件以及应用，涉及共点力的概念、平衡状态、力的合成及分解及数学运算知识等综合知识的应用，是高中阶段动力学的基础，是连接运动和力的重要环节，并且是之后运动和力、机械能守恒、电磁学的学习的基础，起到承上启下的作用。2017年新课程标准对本节内容的要求为“能用共点力的平衡条件分析生产生活中的问题，”故应用共点力的平衡条件解决实际问题为本节的重点和难点。
教材中通过“问题”，引入物体受共点力平衡情况。再通过之前力的合成与分解知识，得到共点力平衡条件。之后，教材分别列举了两道例题，其中例题1对应新课标的要求，选取了生活中小孩坐滑梯的场景，以匀速下滑的小孩为研究对象；例题2研究了静止的被细绳悬挂的重物。这两道例题分别从匀速和静止两种平衡状态来进行共点力的分析。
通过本节课的学习，学生可以用共点力平衡条件分析生产生后中的问题，使学生认识到物理与生活密切相关，提高学生将物理知识应用到解决实际问题的意识。
【学情分析】
学生在之前已经学习了牛顿运动定律、力的合成与分解和共点力的概念，对运动和力的关系有了一定了解，已经具备物体的平衡状态等已有知识，并具有运用牛顿运动定律分析物理问题的能力，能够意识到物体何时处于平衡状态，并且可以结合力的合成和分解的知识分析问题。但在对共点力的平衡条件进行应用时，将实际问题转化为物理模型是较为困难的，需要教师引导学生理清思路，建立模型，及时归纳总结。
【教学目标】
物理观念
掌握共点力的概念，掌握共点力作用下物体的平衡状态及其条件；
运用共点力的平衡条件解决实际问题；
科学思维
通过分析共点力动态平衡问题，建立运动过程理想化模型，养成构建模型的意识和能力；
通过解决平衡状态中的实际问题，养成科学推理、科学论证的科学思维能力；
科学探究
通过实验探究共点力的平衡条件，经历科学探究过程，掌握物理学的研究方法，养成科学探究能力和问题解决能力；
科学态度与价值观
1. 在观看杂技演员表演，感叹杂技演员高超技艺的同时，感受到杂技演员的精彩表演的背后一定付出了很多辛勤和汗水，激发学习兴趣，增加积极自强上进的学习动力；
2. 通过探究共点力平衡的条件，形成探索自然的内在动力以及严谨认实事求是和持之以恒的科学态度；
3. 通过例题，感受到物理知识与实际生活密切相连，提高将物理知识应用于解决实际问题的意识。
【教学重难点】
教学重点：共点力平衡的条件；
教学难点：共点力平衡的应用。例如在例题1中研究对象的选取，例题2中摩擦力的方向，如何将实际问题转化为物理图景等。
【教学方法】
讲授法、讨论法、实验法
【教学媒介】
多媒体设备、黑板、刻度尺、砝码、细绳、弹簧测力计、铁架台、力传感器
【教学流程】
流程图如下：
课堂引入
教师活动：请同学们观看视频中杂技演员阿迪力骑独轮车的动作，体会其中的平衡状态。可以看到在杂技表演中，演员处于平衡状态，受到重力作用、及绳索给予的支持力作用，请同学们思考一下杂技演员是怎么保持平衡的呢？
二、概念回顾
师生共同分析阿迪力的受力情况和右图三种不同条件下足球的受力情况，归纳其共同点，引出共点力及平衡概念。
学生思考：PPT中的扁担是否处于共点力的平衡状态，举出生活中共点力平衡现象的实例。
三、实验探究
教师活动：提出问题
1、通过分析足球处于第二种情况时拉力的大小，引导学生提出问题“受三个力作用的物体在什么条件下保持平衡状态”
2、介绍实验器材，引导学生设计实验探究方案：
首先将物理情境转化为可测量的实验模型。足球受到三个拉力的作用，保持静止。用砝码代替足球，在两个拉力和重力的作用下保持静止，两个拉力分别模拟墙面施加的支持力和悬绳施加的拉力。三个力的作用点在砝码重心，是共点力。需要验证的是三个力的合力是否为零。学生一开始可能不会想到如何求三个力的合力，教师引导学生利用等效思想，通过力的合成，将任意两个力合成为与之作用效果相同的一个力，最终将三个共点力平衡的问题转化为两个共点力平衡的问题。
学生活动：在老师引导下，分组讨论，设计实验具体步骤，动手操作，记录数据，分析处理数据，得出结论。
实验操作：
用弹簧测力计测量砝码所受重力；
用细绳固定砝码与力传感器相连，固定在墙壁上，细绳保证水平方向；
（提出问题：为什么细绳方向要保证水平状态）
用另一根细绳固定砝码与铁架台、弹簧测力计相连，并与水平方向保持45°方向；
（提出问题：此时砝码所受三个力方向分别如何，大小怎么确定）
4. 待砝码静止，记录拉力的大小和方向；
5. 根据实验数据，按照同一标度作出三个不同方向的力的图示；
6. 按平行四边形定则画出其中两个拉力的合力；
7. 比较二者合力与第三个拉力的大小和方向的关系；得到实验结论。
实验结论：三个拉力的合力为零。即共点力平衡的条件是合力为零。
教师总结：如果物体受到多个共点力的作用处于平衡态时，可以按照上述方法利用等效思想，通过力的合成，将任意两个力合成为与之作用效果相同的一个力，最终将多个共点力平衡的问题转化为两个共点力平衡的问题。
四、解决问题
例1.
视频中阿迪力骑着独轮车在空中钢索上表演时，如果钢索所承受的最大拉力是2000N，阿迪力和独轮车的总质量为80kg，独轮车两侧的钢索最大成150°夹角，钢索能安全使用吗？（cos75°=0.259，g取10N/kg。）
例2.
盛放小虫的半球碗高度问题：在半径为R的半球形碗中放入一个小虫，小虫能不能从碗里爬出来？
教师活动：
1．回顾本节课开头部分视频，提出问题：如何判断钢索是否安全？在例题1中引导学生选取研究对象，建立物理模型。提问：应选取谁作为研究对象？然后对钢索上O点进行受力分析，建立方程求解。
2．展示例题2，建立物理模型，和学生共同对小虫进行受力分析。由于前概念的影响，该题目中摩擦力的方向是难点，很多学生会认为摩擦力方向应该与运动方向相反。设计问题：“小虫能不能从碗里爬出来“意味着什么？如果碗壁是光滑的，小虫能不能从碗里爬出来？引导学生得到如果没有摩擦力，小虫不会从碗里爬出来，从而得到摩擦力的方向，建立方程并求解。
3．对两道例题的解题思路进行总结。
教师活动：
比较两道例题思路的异同点，在第二道例题的解题过程中，支持力和摩擦力的大小和方向会随着夹角变化而变化，这两个力为动态力，但在解决问题过程中，将其视为定态，进行分析。在此过程中，要注意化静为动，静中求静。
接着归纳解决此类问题的一般思路分为三个环节，第一环节：运用整体法或隔离法确定研究对象；第二环节是对研究对象进行受力分析，讲解技巧并总结出受力分析时的顺口溜“地球周围受重力、绕物一周找弹力、考虑有无摩擦力、其他外力细分析”；第三环节是根据平衡状态、列出方程、解决问题。
学生活动：在教师的引导下进行思考、总结。
五、归纳总结
学生活动：回顾本节课所讲内容，进行总结。
当堂小练
如图为节日里悬挂灯笼的一种方式，A、B点等高，O为结点，轻绳AO、BO长度相等，拉力分别为、，灯笼受到的重力为。下列表述正确的是（ ）
一点小于
与大小相等
与是一对平衡力
与大小之和等于
L型木板P（上表面光滑）放在固定斜面上，轻质弹簧一端固定在木板上，另一端与置于木板上表面的滑块Q相连，如图所示，若P、Q一起沿斜面下滑，不计空气阻力。则木板P的受力个数为（ ）
A．3
B．4
C．5
D．6
3.水平地面上有一木箱，木箱与地面之间的动摩擦因数。现对木箱施加一拉力F，使木箱做匀速直线运动。设F的方向与水平面夹角为，如图，在从0逐渐增大到90°的过程中，木箱的速度保持不变，则（ ）
A．F先减小后增大
B．F一直增大
C．F的功率减小
D．F的功率不变
七、板书设计
§3.5共点力作用下物体的平衡
一、共点力作用下物体的平衡状态
１、共点力
２、平衡状态：匀速直线运动、静止
二、共点力作用下物体的平衡条件
在共点力作用下物体平衡的条件是合力为零。
三、解决问题
例１
解：对钢索上某点O进行受力分析得：
根据数学关系可以得知：
此时钢索所受重力小与其所能承受的最大拉力，故钢索是安全的。
例２．
解：以A点为坐标原点，建立直角坐标系：
得出：
因此，小虫从碗底能爬到的高度为
归纳总结
八、作业
课本78页例题1、例题2
【教学评价】
1.在学生分析扁担、足球等物体受力情况时，通过观察学生问题回答情况，判断学生是否掌握共点力模型的构建；
2.在学生实验探究过程中，通过观察学生实验、表达及交流情况，判断学生是否可以运用科学方法进行实验探究；
3.在例题学习过程中，通过学生的回答反馈，判断学生是否掌握了共点力的动态平衡；
4通过学生分析问题，判断学生对共点力平衡条件的理解是否准确；
5.通过学生对本节课知识点进行总结，判断学生是否掌握共点力的平衡条件及其应用。
【教学反思】
《共点力平衡条件应用》是动力学的基础，是连接运动和力的重要环节。共点力作用下物体的平衡是高中阶段物理教学的重点和难点知识。对平衡问题，特别是动态平衡和连接体平衡问题学生往往会找不准解题的入点，更谈不上选用合适的物理方法。基于这点认识，通过本节课让学生体会到此类问题的基本解决思路：首先要弄清物体处于怎样的状态是平衡态；其次要正确的选择研究对象；接着要对研究对象进行受力分析，然后根据平衡条件列方程，在求解讨论时注意力的合成法、正交分解法、图解法等选择应用。所以本节课开头，通过讲解学生对平衡状态及平衡条件的有认识和理解，接着进行实验探究，解决经典习题。引导学生对题目进行分析、讨论、研究和解答，并及时对方法的归纳总结。在本节课的学习中教师与学生共同完成对知识网络的构建，不是教师总结完再灌输给学生，而是让学生和教师共同完成，或者尝试让学生自主探究。这样做不仅锻炼了学生的能力，而且使学生记忆深刻。在实验探究和问题及解决时给学生足够的时间思考和讨论，增强学生分析解决问题的能力。在课堂教学中，教学互动能够充分调动学生学习的积极性，同时对于有的学生可以树立信心、增强自豪感、提高学习兴趣。
【教材版本】
选自人教版高中物理必修第一册第三章第五节。
【设计理念】
激发兴趣：在高中阶段，不少学生感觉物理是一门理论性很强且枯燥的学科，因此要创设一定的物理情景从而激发学生的学习兴趣。在本节课的教学过程中，通过播放杂技演员走钢丝视频，让学生置身于物理情景之中，激发他们的学习兴趣。
自主探究：本节课引导学生自主进行实验探究，得出共点力平衡的应用。采取如下步骤：提出方案——实验探究——理论验证——解决问题。在此过程中，充分体现以教师为主导、学生为主体的新课程理念，激发学生自主学习，培养其动手、独立思考的能力，培养其形成严谨认真、实事求是的科学态度。在此过程中注重物理学科本质的体现，培养学生科学探究能力。
联系生活：本节课选取阿迪力走钢丝、小虫爬出半球形碗两道例题，目的在于加强物理知识与实际生活场景的联系，并使学生认识到物理与生活密切相关，提高学生将物理知识应用到解决实际问题的意识。
注重归纳：在中学物理课程的学习中，物理规律的应用是一大难点，也是学生们比较头疼的地方。在讲解两道例题的过程中，注重引导物理模型的构建；讲解完毕之后，对例题的解题思路进行归纳总结，并将解口诀，促进学生科学思维能力的发展。
【教材分析】
《共点力平衡条件应用》一节的内容主要为共点力平衡条件以及应用，涉及共点力的概念、平衡状态、力的合成及分解及数学运算知识等综合知识的应用，是高中阶段动力学的基础，是连接运动和力的重要环节，并且是之后运动和力、机械能守恒、电磁学的学习的基础，起到承上启下的作用。2017年新课程标准对本节内容的要求为“能用共点力的平衡条件分析生产生活中的问题，”故应用共点力的平衡条件解决实际问题为本节的重点和难点。
教材中通过“问题”，引入物体受共点力平衡情况。再通过之前力的合成与分解知识，得到共点力平衡条件。之后，教材分别列举了两道例题，其中例题1对应新课标的要求，选取了生活中小孩坐滑梯的场景，以匀速下滑的小孩为研究对象；例题2研究了静止的被细绳悬挂的重物。这两道例题分别从匀速和静止两种平衡状态来进行共点力的分析。
通过本节课的学习，学生可以用共点力平衡条件分析生产生后中的问题，使学生认识到物理与生活密切相关，提高学生将物理知识应用到解决实际问题的意识。
【学情分析】
学生在之前已经学习了牛顿运动定律、力的合成与分解和共点力的概念，对运动和力的关系有了一定了解，已经具备物体的平衡状态等已有知识，并具有运用牛顿运动定律分析物理问题的能力，能够意识到物体何时处于平衡状态，并且可以结合力的合成和分解的知识分析问题。但在对共点力的平衡条件进行应用时，将实际问题转化为物理模型是较为困难的，需要教师引导学生理清思路，建立模型，及时归纳总结。
【教学目标】
物理观念
掌握共点力的概念，掌握共点力作用下物体的平衡状态及其条件；
运用共点力的平衡条件解决实际问题；
科学思维
通过分析共点力动态平衡问题，建立运动过程理想化模型，养成构建模型的意识和能力；
通过解决平衡状态中的实际问题，养成科学推理、科学论证的科学思维能力；
科学探究
通过实验探究共点力的平衡条件，经历科学探究过程，掌握物理学的研究方法，养成科学探究能力和问题解决能力；
科学态度与价值观
1. 在观看杂技演员表演，感叹杂技演员高超技艺的同时，感受到杂技演员的精彩表演的背后一定付出了很多辛勤和汗水，激发学习兴趣，增加积极自强上进的学习动力；
2. 通过探究共点力平衡的条件，形成探索自然的内在动力以及严谨认实事求是和持之以恒的科学态度；
3. 通过例题，感受到物理知识与实际生活密切相连，提高将物理知识应用于解决实际问题的意识。
【教学重难点】
教学重点：共点力平衡的条件；
教学难点：共点力平衡的应用。例如在例题1中研究对象的选取，例题2中摩擦力的方向，如何将实际问题转化为物理图景等。
【教学方法】
讲授法、讨论法、实验法
【教学媒介】
多媒体设备、黑板、刻度尺、砝码、细绳、弹簧测力计、铁架台、力传感器
【教学流程】
流程图如下：
课堂引入
教师活动：请同学们观看视频中杂技演员阿迪力骑独轮车的动作，体会其中的平衡状态。可以看到在杂技表演中，演员处于平衡状态，受到重力作用、及绳索给予的支持力作用，请同学们思考一下杂技演员是怎么保持平衡的呢？
二、概念回顾
师生共同分析阿迪力的受力情况和右图三种不同条件下足球的受力情况，归纳其共同点，引出共点力及平衡概念。
学生思考：PPT中的扁担是否处于共点力的平衡状态，举出生活中共点力平衡现象的实例。
三、实验探究
教师活动：提出问题
1、通过分析足球处于第二种情况时拉力的大小，引导学生提出问题“受三个力作用的物体在什么条件下保持平衡状态”
2、介绍实验器材，引导学生设计实验探究方案：
首先将物理情境转化为可测量的实验模型。足球受到三个拉力的作用，保持静止。用砝码代替足球，在两个拉力和重力的作用下保持静止，两个拉力分别模拟墙面施加的支持力和悬绳施加的拉力。三个力的作用点在砝码重心，是共点力。需要验证的是三个力的合力是否为零。学生一开始可能不会想到如何求三个力的合力，教师引导学生利用等效思想，通过力的合成，将任意两个力合成为与之作用效果相同的一个力，最终将三个共点力平衡的问题转化为两个共点力平衡的问题。
学生活动：在老师引导下，分组讨论，设计实验具体步骤，动手操作，记录数据，分析处理数据，得出结论。
实验操作：
用弹簧测力计测量砝码所受重力；
用细绳固定砝码与力传感器相连，固定在墙壁上，细绳保证水平方向；
（提出问题：为什么细绳方向要保证水平状态）
用另一根细绳固定砝码与铁架台、弹簧测力计相连，并与水平方向保持45°方向；
（提出问题：此时砝码所受三个力方向分别如何，大小怎么确定）
4. 待砝码静止，记录拉力的大小和方向；
5. 根据实验数据，按照同一标度作出三个不同方向的力的图示；
6. 按平行四边形定则画出其中两个拉力的合力；
7. 比较二者合力与第三个拉力的大小和方向的关系；得到实验结论。
实验结论：三个拉力的合力为零。即共点力平衡的条件是合力为零。
教师总结：如果物体受到多个共点力的作用处于平衡态时，可以按照上述方法利用等效思想，通过力的合成，将任意两个力合成为与之作用效果相同的一个力，最终将多个共点力平衡的问题转化为两个共点力平衡的问题。
四、解决问题
例1.
视频中阿迪力骑着独轮车在空中钢索上表演时，如果钢索所承受的最大拉力是2000N，阿迪力和独轮车的总质量为80kg，独轮车两侧的钢索最大成150°夹角，钢索能安全使用吗？（cos75°=0.259，g取10N/kg。）
例2.
盛放小虫的半球碗高度问题：在半径为R的半球形碗中放入一个小虫，小虫能不能从碗里爬出来？
教师活动：
1．回顾本节课开头部分视频，提出问题：如何判断钢索是否安全？在例题1中引导学生选取研究对象，建立物理模型。提问：应选取谁作为研究对象？然后对钢索上O点进行受力分析，建立方程求解。
2．展示例题2，建立物理模型，和学生共同对小虫进行受力分析。由于前概念的影响，该题目中摩擦力的方向是难点，很多学生会认为摩擦力方向应该与运动方向相反。设计问题：“小虫能不能从碗里爬出来“意味着什么？如果碗壁是光滑的，小虫能不能从碗里爬出来？引导学生得到如果没有摩擦力，小虫不会从碗里爬出来，从而得到摩擦力的方向，建立方程并求解。
3．对两道例题的解题思路进行总结。
教师活动：
比较两道例题思路的异同点，在第二道例题的解题过程中，支持力和摩擦力的大小和方向会随着夹角变化而变化，这两个力为动态力，但在解决问题过程中，将其视为定态，进行分析。在此过程中，要注意化静为动，静中求静。
接着归纳解决此类问题的一般思路分为三个环节，第一环节：运用整体法或隔离法确定研究对象；第二环节是对研究对象进行受力分析，讲解技巧并总结出受力分析时的顺口溜“地球周围受重力、绕物一周找弹力、考虑有无摩擦力、其他外力细分析”；第三环节是根据平衡状态、列出方程、解决问题。
学生活动：在教师的引导下进行思考、总结。
五、归纳总结
学生活动：回顾本节课所讲内容，进行总结。
当堂小练
如图为节日里悬挂灯笼的一种方式，A、B点等高，O为结点，轻绳AO、BO长度相等，拉力分别为、，灯笼受到的重力为。下列表述正确的是（ ）
一点小于
与大小相等
与是一对平衡力
与大小之和等于
L型木板P（上表面光滑）放在固定斜面上，轻质弹簧一端固定在木板上，另一端与置于木板上表面的滑块Q相连，如图所示，若P、Q一起沿斜面下滑，不计空气阻力。则木板P的受力个数为（ ）
A．3
B．4
C．5
D．6
3.水平地面上有一木箱，木箱与地面之间的动摩擦因数。现对木箱施加一拉力F，使木箱做匀速直线运动。设F的方向与水平面夹角为，如图，在从0逐渐增大到90°的过程中，木箱的速度保持不变，则（ ）
A．F先减小后增大
B．F一直增大
C．F的功率减小
D．F的功率不变
七、板书设计
§3.5共点力作用下物体的平衡
一、共点力作用下物体的平衡状态
１、共点力
２、平衡状态：匀速直线运动、静止
二、共点力作用下物体的平衡条件
在共点力作用下物体平衡的条件是合力为零。
三、解决问题
例１
解：对钢索上某点O进行受力分析得：
根据数学关系可以得知：
此时钢索所受重力小与其所能承受的最大拉力，故钢索是安全的。
例２．
解：以A点为坐标原点，建立直角坐标系：
得出：
因此，小虫从碗底能爬到的高度为
归纳总结
八、作业
课本78页例题1、例题2
【教学评价】
1.在学生分析扁担、足球等物体受力情况时，通过观察学生问题回答情况，判断学生是否掌握共点力模型的构建；
2.在学生实验探究过程中，通过观察学生实验、表达及交流情况，判断学生是否可以运用科学方法进行实验探究；
3.在例题学习过程中，通过学生的回答反馈，判断学生是否掌握了共点力的动态平衡；
4通过学生分析问题，判断学生对共点力平衡条件的理解是否准确；
5.通过学生对本节课知识点进行总结，判断学生是否掌握共点力的平衡条件及其应用。
【教学反思】
《共点力平衡条件应用》是动力学的基础，是连接运动和力的重要环节。共点力作用下物体的平衡是高中阶段物理教学的重点和难点知识。对平衡问题，特别是动态平衡和连接体平衡问题学生往往会找不准解题的入点，更谈不上选用合适的物理方法。基于这点认识，通过本节课让学生体会到此类问题的基本解决思路：首先要弄清物体处于怎样的状态是平衡态；其次要正确的选择研究对象；接着要对研究对象进行受力分析，然后根据平衡条件列方程，在求解讨论时注意力的合成法、正交分解法、图解法等选择应用。所以本节课开头，通过讲解学生对平衡状态及平衡条件的有认识和理解，接着进行实验探究，解决经典习题。引导学生对题目进行分析、讨论、研究和解答，并及时对方法的归纳总结。在本节课的学习中教师与学生共同完成对知识网络的构建，不是教师总结完再灌输给学生，而是让学生和教师共同完成，或者尝试让学生自主探究。这样做不仅锻炼了学生的能力，而且使学生记忆深刻。在实验探究和问题及解决时给学生足够的时间思考和讨论，增强学生分析解决问题的能力。在课堂教学中，教学互动能够充分调动学生学习的积极性，同时对于有的学生可以树立信心、增强自豪感、提高学习兴趣。