【核心素养】3.4 力的合成 教案

《力的合成》教案
一．背景和教学任务简介
该节内容着重让学生探索力的合成的基本定则——平行四边形定则，帮助学生从代数求和到矢量图形合成的跨越。
本节课注重知识内容的探究过程，并且强调学生的参与。在逐步形成概念规律的过程中，学生经历了学习、研究物理的一般科学探究方法，在运用物理规律解决社会生活中问题的过程中体验学以致用的快乐并感悟物理与社会生活的紧密联系。
二．教学目标：
1．物理观念：
（1）知道共点力，理解力的合成概念。
（2）理解平行四边形定则，会用作图法求两个共点力的合力。
（3）学会用橡皮筋、弹簧测力计等实验器材研究合力与分力的关系。
2．科学思维：
（1）通过抽象思维，将物理实际转化为物理模型
（2）利用平行四边形的边角关系，将力的矢量问题图形化
3．科学探究：
（1）通过实验探究过程学习平行四边形定则，认识力的合成是一种等效替代的方法。
（2）通过矢量与标量的不同求和方法，感受标量的代数性质和矢量的图形性质。
4．科学态度与责任：
（1）通过有关力的合成的实例分析，感悟力的合成在日常生活中的实际意义和应用价值。
（2）通过实验中有误差产生的现象，感悟实事求是的科学探究精神。
三．教学重点和难点：
教学重点：探究并理解力的平行四边形定则。
教学难点：猜测合力与分力的平行四边形关系。
四．教学设计思路
（一）教学思路
本节课的重点是让学生从实验中探究并归纳出力的合成的方法——平行四边形定则，但对于刚进入高中学习不久高一学生用从代数求和改变为矢量图形合成，这在认识上是一个巨大的困难，它需要一个耐心的寻找和猜想的过程。由于一节课的时间只有40分钟，因此在实验中实验步骤老师给与一定的指导，留出较多的时间给同学充分猜想和探讨实验的结果，从而让学生体验科学探究的过程，激发学生科学探究的兴趣。
教学方法：实验探究。
（二）教学流程图
五．教学技术与学习资源应用：
1．多媒体电脑演示。
2．学生实验《共点力合成》：图板、图钉、白纸、弹簧测力计、橡皮筋、绳套、刻度尺、三角尺。
3．教师演示：DIS实验系统，力传感器，钩码。
六．教学过程：
创设情境，提出疑问：
师：力是生活中最常见的一个物理量，在前面的课中我们已经学习了力的基本内容并学会使用力的图示的方法记录一个力的三要素（大小、方向和作用点），今天我们对力做更深入的研究。首先请同学们共同体验和观察一个实验。
情境：（学生体验）先由一位同学将一重物拉起离开地面，再由这位同学和另一位同学一起以较小的夹角将同一重物拉起离开地面，然后再将夹角分大，两同学将用很大的力气才能将重物拉起离开地面（或者同学拉不起来）。
师：同学在三次拉的过程中都将重物拉离了地面，如果一个力对重物的作用效果与两个共点力对重物的作用效果是相同的，我们就能把这一个力来代替这两个力，或这两个力代替这一个力在物理学上我们把这一过程称为等效替代。
1.等效替代：用一个力作用于物体所产生的效果和用几个力同时作用于物体达到的效果是一样的，我们就可以用这一个力来代替这几个力，或用这几个力来代替这一个力。
2.合力与分力
如果一个力能等效替代几个力，这一个力叫做这几个力的合力。
如果几个力能等效替代一个力，这几个力叫做这一个力的分力。
师：在三次拉的过程中，哪一次最费力呢？
生：第三次。
师：根据我们的生活经验，两个人一起拉应该比一个人拉省力，怎么变得更费力了呢？这说明在力的等效替代中合力与分力一定存在着某种关系，今天这节课我们就来探究一下合力与分力究竟有怎样的关系。
师：在探究前是否有同学有初步的猜测？（稍作停顿，猜测可将它记在黑板上，后面再作验证）
寻找途径：
师：大家没有猜测也没关系，因为我们现在还没有研究的方向和结果，我们先来确定怎样来研究合力与分力的关系。请大家回想一下，在刚才的实验中我们改变了什么实验条件，引起了绳子上拉力的变化？
生：两绳子之间的夹角。
师：改变了绳子间的夹角也就改变了力的什么？
生：力的方向。
师：大家回答得非常好。力是矢量，既有大小又有方向。矢量是有方向的，其作用效果不仅与力的大小有关，还与力的方向有关，基于这一点和前面的实验现象，让我们意识到合力与分力可能不仅在大小上存在关系，在方向上可能也有关系。寻找它们之间的关系仅看大小是不够的，我们必须同时记录下分力与合力的大小和方向。请问，我们用什么方法可以把力的大小、方向和作用点同时记录？
生：力的图示法。
师：很好，我们应通过实验把合力与分力全部用力的图示法画出来，而他们的关系必定在图中寻找。我们接下去就通过实验研究合力与分力在图形上有怎样的关系？
实验操作记录数据：
师：今天我们的研究对象橡皮筋。我们把橡皮筋的一端固定在木板上，另一端系上绳套，用两个弹簧秤同时钩在绳套上拉，使橡筋发生拉伸形变，再用一个弹簧秤拉，使橡筋发生相同的形变。请问如何保证两次拉伸的形变效果相同？
（学生讨论）
生：可将橡筋结点的形变位置记录下来，第二次拉到同一位置就能保证两次的形变效果相同。
师：这个方法非常好，我们记录下各个力的大小和方向，用力的图示画出来就能寻找合力与分力的图形关系了。那么大家记录力的方向又什么好的方法？
生：在绳子的正下方点一点，这一点与结点就能连成一直线，该直线方向就是力的方向。
师：同学回答得非常好。我们再总结一下实验步骤。（观看电脑演示实验步骤。）现在大家可以开始实验了。（学生探究实验，老师巡视指导）
师：大家实验都完成了，我们看几组同学的图。（展示几组合力与分力的力的图示）
分析数据：
师：大家结合自己图和其他同学所画的图，相互讨论一下，你猜测合力与分力在图形上可能有什么关系？
（学生讨论）
生：将两个分力的顶端与合力的顶端相连接，得到图形很像平行四边形，合力是这个平行四边形的对角线。
师：其它小组是否也感觉有这样的规律？还是觉得有其他规律？
生：我们的图形也好像是平行四边形。
师：好像是这个平行四边形的对角线，这毕竟是一种猜测，究竟合力是不是这个平行四边形的对角线呢？让我们来验证一下，我们可以以OA、OB为邻边作平行四边形OADB，看平行四边形的对角线与OC是否重合。（学生推平行线，验证自己的猜测）
师：我们看几组同学的图形。大部分组的验证结果是：基本重合，稍有偏差。是不是我们的猜测错了吗？还不能完全否定，因为我们的实验器材和实验操作都有可能产生误差，我们可用误差较小的测力的工具——DIS力传感器，再来验证一下。
（教师DIS实验演示：一个力传感器拉和两个互成直角的两个力传感器拉，如果猜测正确这三个力满足购股定律。）
得到结果：
师：根据这一结果说明我们的猜测是正确的，而刚才大家实验结果虽然有误差，但说明大家在科学探究中有着实事求是的科学态度，不为了迎合自己的猜测而弄虚作假，这点非常好。
数理学家们通过紧密的计算和验证，发现矢量合成就存在平行四边形图形关系。今天我们由于时间的关系不可能在课堂上去精密的反复的验证，但大家已经在认识上有了一个质的飞跃，认识到了求和不应局限于代数求和，碰到矢量应从图形上求解，而且敏锐地观察带了四边形图形关系的关系，这表明大家的观察能力还是很强的。
师：图形关系我们已经得到了。最后大家能不能根据图像用自己的语言来描述出合力与分力的关系？
生：用表示两个力的有向线段为邻边作平行四边形，这两个邻边之间的对角线就表示合力的大小和方向。
师：可见求互成角度的两个力的合力，不是简单地将两个力相加减，而是遵循平行四边形定则。
4.平行四边形定则：如果用表示两个共点力F1和F2的线段为邻边做平行四边形，那么合力F合的大小和方向就可以用F1、F2所夹的对角线来表示。
5.力的合成：求几个力的合力的方法，叫做力的合成。
力的合成遵循平行四边形定则。
师：现在我们已经知道了合力与分力在等效替代中遵循平行四边形定则，那么我们前面的问题：为什么两个人一起拉比一个人拉重物更费力呢？
生：因为两个等大的分力，它们之间的夹角越大，合力越小。
（动画演示）
教师课堂小结
训练与评价：
学生讨论：引入实验中为什么两个力同时拉，在夹角较大反而比一个人拉费力。
回家作业：（1）思考：为什么课本引入实例中“泗水拔鼎”失败的原因。
（2）练习册：基本训练A组，1-8题。
七、评价反思：
在第一次课堂实施中，我发给了每位学生一个栓了两根细线的钩码，让同学亲手感受一下，用一只手拎起砝码
；两只手一起向上拎砝码
；慢慢将两绳之间的夹角增大；这三种情况下手上拉力的大小情况。围绕该实例建立合力、分力及力的合成与分解的概念，课堂效果很好，达到设计目标。
接下去就提出问题：“合力的大小是不是分力大小的代数和？”；“为什么不是？”；“我们以前讲时间、路程、质量不都是代数相加的吗？”，学生能从矢量标量上找到区变，以此入手让同学知道力的合成不应尽考虑大小还应考虑方向，所以应该从图形上去找出他们的图形关系。接下去又以一系列的问题题问：“根据桌上的器材如何进行实验？”；“如何保证合力与分力的等效”；“如何读取力的大小？”“如何记录力的方向？”“如何用力的图示来表示这些力？”然后开始学生实验。
由于前面一系列问题都有学生思考回答，所用的时间较多，之后的实验还是有部分同学没有明确实验目的、实验步骤，到下课时，绝大部分学生还未完成实验。因此，合力与分力的关系也就没有时间猜想了，这节课的一个主要目的没有完成。
课后马上与老师进行了交流，老师说，这节课的主要目的应在后面的图形猜想上，如果前后都要顾及，时间肯定不够，前面的有些内容学生在初中已经学习过，老师可以直接指导实验的操作过程，留出足够的时间进行实验后的讨论。
根据以上意见，我对这一节课进行了大刀阔斧的改变。首先把引入实验进行了改变，直接利用力的合成的实验装置，改拉砝码为拉橡皮筋。在橡皮筋拉伸效果相同的情况下，用DIS力传感器测量力的大小，直接显示在投影屏幕上，通过数值观察力的大小变化。从上课效果来看，同学很容易理解，而且对于后面的实验起到了一定的辅助铺垫的作用，使同学们在后面实验操作上快了很多。此外对于后面的提问也做了一定的删减。保留了启发学生从图形上进行观察猜想的问题，而具体的实验操作以指导的方式告诉学生。这样大多数学生在实验前已经能明确此次实验的目的及步骤，在正式的操作过程中大部分学生在10分钟内很好完成了实验。
在随后的猜想的过程中，由于同学已经知道从图形上寻找它们的关系，个别小组在操作时将两个分力的顶端与合力的顶端相连接，较快得到平行四边形的图形。在他们的启发下，其它小组也做了相同的连接，大部分小组都接近于平行四边形。还有小组测量了几组不同的分力，同时画在一起，可以看到每一组分力与合力都构成一个平行四边形。
最后我让同学观察图形，用自己的语言来表述分力与合力的关系，通过同学们的相互协作，大家能较完整的来描述力的的平行四边形定则。
通过前面的改动之后，这节课完整地完成了所有的内容，尤其是探究实验的结果猜想，给了学生足够的时间讨论，使每个学生参与其中，学生的认知程度肯定比简单的说教更为深刻。
活动Ⅳ
DIS
验证
活动III
验证
猜测
平行四边形定则
应用结论
活动I
拎杠
铃片
合力
分力
活动II
学生
实验
等效
替代
合成分解
问题I
设问
共点力
问题II
猜测
关系
O
F1
F2
O
C
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