張 鳴

安徽省合肥市第四中學(xué)(230000)

1 問題的提出

“共點(diǎn)力的平衡”是人教版普通高中教科書物理必修第1冊第3章第5節(jié)的內(nèi)容[1],在原教材中作為牛頓第二定律應(yīng)用的特例,新教材中獨(dú)立為一個新的章節(jié),豐富了“相互作用”這一章的內(nèi)容,并作為本章的重難點(diǎn),使得靜力學(xué)的體系更加完善,另外本節(jié)習(xí)得的思維方法,也給“牛頓運(yùn)動定律”的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ),有助于循序漸進(jìn)地形成運(yùn)動和相互作用觀念。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》對“共點(diǎn)力的平衡”一節(jié)提出了具體要求:能用共點(diǎn)力的平衡條件分析生產(chǎn)生活中的問題[2],淡化了用“力的合成與分解”處理靜力學(xué)問題,因此學(xué)生對共點(diǎn)力平衡條件的掌握將至關(guān)重要。教材在“二力平衡”的基礎(chǔ)上,通過問題情境拓展到物體受多個共點(diǎn)力作用,啟發(fā)學(xué)生通過力的合成,最終結(jié)合二力平衡得出F合=0的結(jié)論,結(jié)合學(xué)生學(xué)情,為激發(fā)學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)興趣,教師不僅要從理論上演繹推導(dǎo),也要精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證;不僅要利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測量儀器,比如彈簧測力計(jì),也要利用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等新興實(shí)驗(yàn)設(shè)備,讓學(xué)生直觀、形象地認(rèn)識“共點(diǎn)力的平衡”實(shí)驗(yàn),發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,讓學(xué)生分組利用彈簧測力計(jì)探究“三力平衡的條件”,再利用力的傳感器演示探究“四力平衡的條件”,通過分組實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新能力,最后利用手機(jī)拍照確定力的方向再利用幾何畫板作出力的圖示,進(jìn)行力的合成,這樣可以有效減小使用彈簧測力計(jì)帶來的實(shí)驗(yàn)誤差。

2 核心素養(yǎng)目標(biāo)

2.1 物理觀念

形成更加深入的平衡觀念,并能用平衡觀念解釋生活中的平衡現(xiàn)象。

2.2 科學(xué)思維

(1)具有使用已學(xué)知識和方法的意識,能夠運(yùn)用平行四邊形定則在實(shí)驗(yàn)研究中得出兩個力的合力;

(2)能使用共點(diǎn)力的平衡條件解決一些實(shí)際問題。

2.3 科學(xué)探究

(1)能正確實(shí)施實(shí)驗(yàn)研究方案,準(zhǔn)確使用實(shí)驗(yàn)儀器、收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);

(2)具有分析論證的能力,會結(jié)合手上的工具處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并作出解釋;

(3)具有合作與交流的意愿和能力,能夠準(zhǔn)確表達(dá)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果。

2.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

(1)能正確認(rèn)識平衡條件;

(2)能主動與他人合作進(jìn)行分組活動。

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 學(xué)生分組實(shí)驗(yàn):探究“三力平衡的條件”

3.1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

將3根細(xì)繩系于一點(diǎn),繩子另一端打結(jié)形成繩套,如圖1所示;制作由等距(本實(shí)驗(yàn)設(shè)置為1 cm)的同心圓構(gòu)成的坐標(biāo)紙,如圖2所示。

圖1 自制實(shí)驗(yàn)繩套

圖2 自制坐標(biāo)紙

3.1.2 實(shí)驗(yàn)操作

步驟一:3個彈簧測力計(jì)互成一定角度拉動繩套,保持繩的結(jié)點(diǎn)靜止在坐標(biāo)紙的O點(diǎn),如圖3所示,記錄各個力的大小和方向,如圖4所示。

圖3 結(jié)點(diǎn)在三力作用下的平衡

圖4 記錄力的大小和方向

步驟二:作出3個力的力的圖示,利用平行四邊形法則求出其中2個力的合力,如圖5所示,再與第3個力比較大小和方向,如圖6所示。

圖5 拉力的圖示

圖6 比較2個力的合力與第3個力

步驟三:教師利用智慧平板拍照展示每一個小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,歸納總結(jié)物體在3個共點(diǎn)力作用下的平衡條件:合力為零。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

彈簧測力計(jì)使用前應(yīng)先較零,彈簧測力計(jì)的軸線方向要與細(xì)繩套在同一直線上,彈簧測力計(jì)要與桌面平行,拉力適中,力與力之間的夾角適當(dāng),但是實(shí)驗(yàn)操作中發(fā)現(xiàn)彈簧測力計(jì)的示數(shù)往往不太穩(wěn)定且不夠精確,給實(shí)驗(yàn)造成較大的誤差。

3.2 教師演示實(shí)驗(yàn):探究“四力平衡的條件”

3.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

將4根細(xì)繩系于一點(diǎn),繩子另一端打結(jié)形成繩套;用4塊釹磁鐵固定住4個力傳感器,便于在黑板展示。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)操作

步驟一:先對4個力傳感器進(jìn)行調(diào)零。

步驟二:將4個力的傳感器的掛鉤連接在繩套末端,使結(jié)點(diǎn)在4個拉力的作用下處于靜止?fàn)顟B(tài),調(diào)整拉力的方向使之沿繩套的方向,通過數(shù)據(jù)采集器和Logger Pro軟件,記錄4個傳感器的示數(shù)。

步驟三:通過手機(jī)正對裝置拍照記錄拉力的方向并上傳至電腦。

步驟四:利用幾何畫板插入背景從而確立力的方向,再作出力的圖示,利用幾何畫板自帶的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分別對力F1和F3進(jìn)行合成以及對力F2和F4合成,比較F13和F24的大小和方向,如圖7所示,最后得出4個力作用下物體的平衡條件,即:任意兩個力的合力與另外兩個力的合力大小相等,方向相反。

圖7 用幾何畫板確定合力的大小和方向

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過傳感器精確地測量拉力的大小并進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),使用這種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)相對誤差非常小,能夠精準(zhǔn)達(dá)到高中物理實(shí)驗(yàn)的要求。

4 針對該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的評價與總結(jié)

(1)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是對教材內(nèi)容的必要補(bǔ)充,目的是減少學(xué)生知識學(xué)習(xí)的跨度,當(dāng)然針對不同學(xué)校的實(shí)際情況和課堂的時間安排,可以對上面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行取舍和改進(jìn),讓學(xué)生認(rèn)識到如何對物理知識進(jìn)行闡釋,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

(2)通過自制教具解決實(shí)際教學(xué)的困難,比如利用釹磁鐵對傳感器的固定,從而方便地進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。

(3)利用手機(jī)和智慧平臺拍照上傳分享,將智能電子設(shè)備應(yīng)用到高中物理教學(xué)中,讓學(xué)生感受到信息技術(shù)的發(fā)展帶來課堂的變革。

(4)將力的傳感器、數(shù)據(jù)采集器、Logger Pro軟件以及幾何畫板綜合起來使用,讓學(xué)生體驗(yàn)科技發(fā)展使得教育技術(shù)得以更新,拓展了學(xué)生的視野。