《力矩和力偶》教学设计
教材选用
人民教育出版社普通高中课程标准实验教科书《物理》选修2-2第一章第三节
教材分析。
选修2-2是人教版普通高中课程标准实验教科书《物理》中选修系列模块之一。本模块知识内容分为物体的平衡、材料与结构、机械与传动装置、热机和制冷机五部分。本节学习的内容是物体的平衡的基础。
在该模块物体的平衡这一章中主要内容包括：共点力平衡条件的应用、平动和转动、力矩和力偶、力矩的平衡条件、刚体平衡的条件和物体平衡的稳定性。力矩是研究平衡问题中的一个重要分支基础。在整个教材体系中起到了承前启后的重要作用。本节课的讲解内容，对于学生深刻理解平衡问题，拓展学生视野，激发学生进一步探索科学奥秘具有重要作用。
内容分析
在必修一中学生已经学习了力和运动关系的基本特点，已经建立起了平动的基本概念。本节课中通过两个简单易操作的典型实验，再经过猜想、分析，进而得到力矩的基本概念及特点。
通过对力矩和力偶的学习，学生应掌握以下知识点：
力矩的定义及基本特点；
力偶的定义及简单应用。
学情分析
本节课的授课对象是高一年级的学生。在学习能力方面，学生已能够观察和描述实现现象，但并不完全具备通过观察和分析实验现象，将知识由特殊推广到一般，进而把抽象知识概括为物理概念的能力。
在学习兴趣方面，高一下学期的学生的学习兴趣已经有所发展，但直接兴趣才是学生加强注意力、提高学习效率的关键。巧妙连贯的两个物理实验，可以将抽象的物理知识直观地呈现给学生，通过物理模型的建立过程，使学生深刻理解物理本质。通过问题驱动法和实验现象的展示，达到激发学习兴趣，加深对物理机理内涵的深刻理解目的。
学生已有的知识基础：
在必修一中已经掌握了平动问题中力和运动的关系；
初中阶段已经学习了杠杆平衡的简单计算。
教学目标
物理观念
结合实验现象，理解力矩的概念，力和力臂的乘积；
通过实验现象，结合理论分析，理解力矩的矢量性。
科学思维和科学探究
经历力矩矢量性探究的全过程，了解科学探究的一般步骤和方法，体会透过物理实验现象看本质；
经过问题驱动法和实验探究以及逻辑推理，体会“实验与逻辑推理相结合”的物理思想和方法在物理学研究中的重要作用。
科学态度与责任
通过一系列的完整连贯的实验和问题驱动法，使学生保持好奇心去求知欲，在探究自然奥秘的过程中，体验探索自然规律的艰辛与喜悦；
通过一个完整的科学探究过程，逐步培养学生良好的思维习惯，建立正确的世界观。
教学重点
理解力矩的定义及其矢量性
教学难点
力矩的矢量性
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
课程引入
学生实验
找一个男生一个女生配合完成游戏，规定游戏要求。
提问：为什么力气小的女生反而获胜？
游戏：力气大的男生站在门外距离门轴近的位置推门；力气小的女生站在门内距离门轴远的位置推门。
思考老师提出的问题，进行合理猜想。
用学生日常生活中的活动引发学生上课开始前的共鸣，同时，用一个有悖于正常认知的实验引发学生的兴趣和深度思考。
新课教学
理论探究和实验探究相结合
分析引入实验：力气小的女生反而获胜，说明游戏不公平，不公平的原因就在于力的作用点不同。由此说明，力对物体的转动效果不仅与力的大小有关，还与作用点、力的方向有关。
引入力矩的定义：力和力臂的乘积。
对力矩的单位N
m进行简单分析：力矩的单位与功的导出单位相同，但是力矩的单位不能写作J。因为功是力和位移矢量的点乘，而力矩是力和位移矢量的叉乘。实际上，1N
m的力矩作用一个全转，恰好需要2
焦耳的能量。
提问：力矩是一个矢量还是标量？
提问：什么时候L型铁架顺时针转动，什么时候逆时针转动？为什么会出现这样的结果？
总结提升：
规定使物体产生逆时针转动效果的力矩为正；使物体产生顺时针转动效果的力矩为负。
力矩是位移和力的叉乘，所得力矩的方向需要用右手螺旋定则进行判断。但是在高中阶段所研究的转动问题，轴线已经给定，所以只有正负的区别，这样就可将力作为标量来处理。
提问：
力矩的作用效果是什么？
平动物体达到和保持平衡状态的条件是合外力为零，那么转动物体达到和保持转动平衡状态的条件是什么？
通过实验对上述问题进行验证：
在竖直放置的圆盘的不同位置放置不同质量的砝码，使其保持平衡。
拓展演示实验：
圆盘竖直放置时，只有一个力矩，只有转动，没有平动。
圆盘水平放置时，只有一个力矩，既有转动，又有平动。
圆盘水平放置时，有两个大小相等，方向相反的力矩时，只有转动，没有平动。
引入力偶定义：大小相等，方向相反，不共线的两个平行力组成的系统。
提问：
力偶矩的表达式如何书写？
力偶的作用效果是什么？
对课前小游戏进行深入思考。
实验：
由一个学生用不同的力在门的同一点感受门的转动效果。
由一个学生用相同的力在门的不同位置感受门的转动效果。
归纳实验结论：同样的力，离转轴越远，力的转动效果越容易改变；同样的力的作用点，力越大，力的转动效果越容易改变。
结合推门实验，思考问题。
实验：用L型铁架进行实验，体会在实验过程中拉力方向不同所导致的不同转动效果。
实验结论：L型铁架会顺时针转动或逆时针转动。
结合实验过程思考并回答问题：力的方向在力和转轴的连线的左侧，顺时针转动；力的方向在力和转轴的连线的右侧，逆时针转动。
回答问题：
是物体的转动状态发生变
。
合外力矩为零。
实验结论得以验证：转动平衡的条件是合外力矩为零。
认真观察实验，记录实验现象，总结实验结论。
回答问题：
力乘以两个平行力之间的距离。
只能使原来静止的物体产生转动，而不产生平动。
分析力偶应用的物理原理。
带领学生进行理论探究，先确定要探究的主要冲突和问题。
由学生亲自完成实验，并自己总结归纳实验结论，有利于学生对力矩概念的深入体会和进一步的理解。
和必修知识内容相联系，更有利于学生形成完成的物理思维和科学观念。
从标矢量的显性表现体会力矩的矢量性。
让学生对每一个物理结论的来龙去脉都有深入的理解，同时，能够知道将复杂问题简单化处理的条件。
结合必修一中平动问题中的力来研究转动中的力矩，是物理中重要的对比研究法。
从学生熟悉的杠杆开始过渡到固定转轴的杆，再进一步过渡到竖直放置的圆盘，再将其推广至水平放置的圆盘。使得整个实验过程逻辑清晰。
小结
拓展应用
力偶的应用：
方向盘、水龙头、神州五号发动机
分析力偶应用的物理原理。
举生活生产中常见的实例来说明本节课中涉及的物理知识，再将应用提升到国家安全保卫，激发学生的爱国热情，培养学生的科学态度与责任。
板书设计
1.3
力矩和力偶
一、力矩
1.
定义：力和力臂的乘积
2.
定义式：
3.
单位：
4.
矢量：规定使物体产生逆时针转动效果的力矩为正；
使物体产生顺时针转动效果的力矩为负
5.
作用效果：使物体的转动状态发生变化
6.
转动平衡条件：
二、力偶
1.
定义：大小相等，方向相反，不共线的两个平行力组成的系统
2.
力偶矩：
3.
作用效果：只能使原来静止的物体产生转动，而不产生平动
教学反思
在导入环节充分引起学生的认知冲突与解释欲求
选修课程的学生均有相对较高的物理学习基础和理解能力，对进一步的学习也有着较高的期望值。因此，他们“兴趣点”与“兴奋点”的提高则要求教学要充分引起他们的认知冲突与解释欲求。这一工作在课堂导入环节就应被有意识的安排。本节中，运用“推门比赛”的形式较好的提升了学生的参与感与思维的卷入程度，为后续教学做出了良好的铺垫。
以教学过程的具身化实现深入理解与深刻印象
教学过程的参与、体验并非是一个可有可无的环节，而是一个切合学生认知规律的举措。本节中，“具身认知”观点帮助教学实现了升华。“具身认知”作为第二代认知科学观兴起背景下认知研究中最重要和最具代表性的取向，它主张身体、动作和情景在整个认知过程中的整体性，它强调认知的种类和性质是由身体和环境的互动方式所决定的，身体的感知觉运动性与认知的形成有着直接联系。本届以具身化为宗旨进行教学设计，使学生在亲手体验、亲身感受之间实现了对力矩概念与转动效果深入理解与深刻印象，是为物理教学具身化的合理实践。
实现教学落脚点的自组织与开放性
同样鉴于选修课程学生的特点，教学的落脚点亦不能由教师包办，而应体现开放性。教学过程的自组织转变理论认为，学生的大脑作为一个自组织系统，在教学过程要经历被组织阶段——临界区域——自组织阶段的演化，而教学的目标就是将学生带领至临界区域，由学生自主实现自组织的大脑相变。本届中，转动规律的最终得出教师没有去直接总结，二十对学生做了关键性的点拨。思维的激发与诱导往往在间接中达成，更多情况下，教师不能径直地向学生宣讲物理知识，而是要在洞察学生认知结构的基础上，针对学生的思维表达适时“站台”、适时“拆台”、适时“补台”，从而使学生内在的导出知识，并形成反思能力与结构性的知识体系。这就是自组织与开放性的教学要求。(共8张PPT)
1.3
力矩和力偶
比赛
问题：为什么力气小的女生反而获胜？
力矩的方向
问题：如何确定力矩的方向？
力矩的方向
O
力偶
方向盘
水龙头
应用
“神舟号”飞船浑身都是发动机
应用
开表器
感谢大家的聆听
F
及
F
F
(a)
(b)
啡
