妙用科学实验箱　提高物理教学有效性——以“力的分解”为例

李正德

(南京大学附属中学，江苏　南京　210008)



妙用科学实验箱提高物理教学有效性——以“力的分解”为例

李正德

(南京大学附属中学，江苏南京210008)

便携式科学实验箱将多个实验器材分门别类集于数十个箱子中，使实验器材模块化，既减少了老师的工作量，又方便学生使用.实验箱内一些拓展性、开放性的器材让学生在轻松氛围中掌握知识，激发学习兴趣，被学生称为实验课的“百宝箱”.笔者在“力的分解”教学中，利用便携式科学实验箱，让学生通过动手，感受力产生的实际效果，掌握按效果分解力的一般步骤.

实验箱；探究；力的分解

便携式科学实验箱将多个实验器材分门别类集于数十个箱子中，使实验器材模块化，既减少了老师的工作量，又方便学生使用.这套实验箱以探究为核心，注重探究的过程，提高学生学习的乐趣，增强科学探究的能力，在获取科学知识的同时，养成尊重事实、善于质疑的科学态度.

探究性教学是学生在教师的指导下，选择并确定研究的课题，用类似科学研究的方式，主动获取知识、应用知识，解决问题，具有自主性、开放性、实践性、探究性的特点.利用科学实验箱进行探究性学习，更能充分展现学生各方面的特长，也便于多元评价的进行.通过实际问题的解决过程，寻找教与学的切入点，把方法的获得、能力的提高融入到获取知识的过程中，将学生下意识运用到的科学方法和良好的思维脉络展露出来，通过教师的引导以及合理的归纳与总结，将支离破碎的知识和隐含的科学方法有机结合起来，让学生在顿悟中达到心理深层次的成功体验，从而获得情感上的满足.课堂是开展研究性学习的主渠道，我校引进了科学实验箱，使研究性学习从课堂的创新做起，笔者以“探究力的分解”为例，介绍体会.

1　教材和学情分析

“力的分解”选自《普通高中课程标准实验教科书物理必修1》，旨在进一步研究合力和分力，探究怎样将一个力进行分解.因此，本活动意在巩固合力和力的合成的知识，解决学生心中对合力、分力之间关系的疑惑，同时提高学生的实验探究以及分析能力.

通过合力、力的合成的知识学习，学生们已经知道合力、分力、力的合成和平行四边形定则等知识，随着学习的深入，学生对合力分力之间关系的兴趣很浓，求知欲望强烈.

2　教学目标

2.1知识与技能

(1) 理解分力及力的分解的概念.

(2) 理解力的分解与力的合成互为逆运算，且都遵守力的平行四边形定则.

(3) 掌握按力的作用效果进行分解的一般步骤，学会判断一个力产生的实际效果.

(4) 知道合力和分力之间的大小关系.

2.2过程与方法

(1) 设计游戏，让学生感受较小的力能够产生较大的分力，激发学生的学习兴趣.

(2) 通过演示实验，让学生观察两分力和合力产生的效果相同，渗透“等效替代”的思维方法.

(3) 利用便携式科学实验箱，让学生动手感受力产生的实际效果，掌握按效果分解力的一般步骤.

2.3情感、态度、价值观

(1) 培养学生的观察能力、实验能力和强烈的科学探究意识.

(2) 力的合成和分解符合对立统一规律，通过联系实际培养学生研究周围事物的良好思维习惯.

3　教学设计思路

以生活现象为基础，通过探究，建立分力、力的分解概念.利用便携式科学实验箱从等效的角度，根据实验结论，通过分析、比较分力的作用效果，归纳总结得出力的分解遵循平行四边形定则.通过对实际问题的分析、讨论，总结按实际效果分解力的思路.

本设计要突出的重点是分力、力的分解的概念和利用平行四边形定则进行力的分解.从生活中的常见现象入手，利用便携式科学实验箱进行演示实验、学生分组实验，结合学生的亲身感受，从等效性的角度，通过分析、推理，建立分力和力的分解的概念，结合DIS学生分组实验，得出力的分解同样遵循平行四边形定则.

本设计要突破的难点是：通过实验探究，知道按实际作用效果分解力.教学中结合简单实例，利用便携式科学实验箱，进行实验演示，把抽象的问题形象化，根据具体情况，分析力作用的实际效果，按实际效果分解力，然后从简单问题中归纳出规律，并予以推广.

本设计强调学生的主动参与，重视概念、规律的形成过程，关注科学方法的教育，重视学生合作意识和能力的培养.

4　探究教学的流程

4.1创设情景，导入课题，提出问题

师：通过合力、力的合成的知识学习，同学们已经知道什么是合力、分力、力的合成和平行四边形定则等，了解分力和合力之间的关系对于解决力学问题是至关重要的，下面请同学们观看一个情景.

学生活动：请两位男生分别用力拉住长绳的一端，立正站立，一位女生垂直拉长绳的中点.当两男生相距较近时，女生拉不动两位男生，当两男生相距较远时，女生却能够拉动两位男生.

4.2结合课堂情景，进行实验探究

演示实验1：先用1串钩码(5个)将一端固定的橡皮条从E点竖直拉伸到O点，然后用2串钩码(分别为4个和3个)，通过定滑轮互成角度地将橡皮条拉到同一点O.

总结：如果几个力共同作用产生的效果与一个力作用产生的效果相同,那么这几个力就叫做那一个力的分力，这一个力就叫做那几个力的合力.

师：已知分力求合力，这个过程叫力的合成，前面已经学过.已知合力求分力的过程叫做力的分解，就是我们今天要学习的内容.力的合成遵守平行四边形定则，力的分解是否也遵守平行四边形定则？

生：力的分解应该也遵守平行四边形定则，因为力的分解是力的合成的逆过程.

探究1：力的分解是否也遵守平行四边形定则？

作图证明：在演示实验1中，用钩码的个数表示力的相对大小，作出合力的图示，以此为对角线，两分力方向为一组邻边，作平行四边形.在同一标度下将两邻边长度换算成力的大小，经换算发现恰好与两分力大小相等.也就是说，如果用对角线来表示合力，那么这一组邻边就表示两分力，从而证明了力的分解遵守平行四边形定则.

引导学生推理得出：力的分解与力的合成互为逆运算.

师：不加限制条件，一个力可分解为无数组不同的分力.在实际问题中,一个力要怎样分解?

演示实验2：用斜向上的力拉放在台秤上重物(如图1)，观察平板台秤示数的变化.

师：台秤示数如何变化？这说明什么？

生：斜向上的拉力产生两个作用效果：水平向前拉物体，竖直向上提物体.我们可用两个力来等效替代这一个力，两力共同作用的效果和F作用的效果相同，这两个力就是F的分力.在实际问题中，力产生的作用效果往往是确定的，通过分析可以找出其作用效果，从而确定两分力的方向，再来进行分解，就可以得到唯一确定的解.

师：按力的作用效果分解力的关键是要确定一个力产生的实际效果.如何确定一个力产生的实际效果?

如图2所示，静止在斜面上的物体所受重力产生怎样的作用效果？如何分解？

演示实验3：利用科学实验箱，将重物放在粘有海绵的斜面上，物体被垂直于斜面的挡板(表面粘有海绵)挡住而静止在斜面上，让同学们观察放上重物前后海绵的变化情况.

师：如图3所示，放上重物后，海绵发生了怎样的变化？这说明什么？

生：重力产生两个作用效果：一是使物体垂直斜面向下压斜面，一是使物体垂直挡板向下压挡板.根据此效果确定两分力的方向，进行分解.

验证实验：让学生利用便携式科学实验箱和DIS传感器，验证将重力沿垂直斜面向下和垂直挡板向下两个方向分解与实际产生的作用效果是否相同.

如图4所示，斜面上的物体的重力可分解为沿斜面向下的分力和垂直斜面向下的分力，有：F1=Fsinθ，F2=Fcosθ.取不同θ角值，将F1、F2的值填入表中，分析数据，验证理论.

实验结论：重力产生的效果一是使物体垂直斜面向下压斜面，二是使物体垂直挡板向下压挡板.

引导学生通过上述讨论归纳力的分解步骤：

(1) 根据力的作用效果确定两个分力的方向.

(2) 根据已知力和两个分力方向作平行四边形.

(3) 根据平行四边形确定分力的大小和方向.

(4) 根据三角形知识求分力的大小.

实例分析：如图5所示，作用在三角形支架上的拉力产生怎样的作用效果？如何分解？

学生活动：分发便携式科学实验箱的仪器，让学生感受三角形支架上拉力F产生的作用效果(如图6).

师：手的哪些部位有感觉？这说明什么？

图7

演示实验4：利用便携式科学实验箱的仪器演示实验过程，让同学们观察三角形支架上的斜梁和横梁的长度怎样变化.如图7所示，作用在三角形支架上的拉力产生两个效果：一是沿斜梁斜向下拉斜梁(使斜梁伸长)，二是沿横梁向内压横梁(使横梁缩短).

师：本节课开始所做游戏中女生的拉力产生了什么效果？如何分解？

生：女生的拉力产生两个效果：分别沿两段绳子的延长线方向拉两段绳子

师：从游戏中可提出以下探究问题：合力一定，两等大分力如何随它们之间的夹角变化而变化？

图8

探究2：如图8所示，请两位学生利用便携式科学实验箱和DIS实验系统，用两个力传感器分别连接绳套，绳子的中点挂有钩码.保持挂钩码的绳子竖直，改变两段绳子间的夹角，让学生观察DIS力传感器的示数的变化，并分析其中原因.

合力一定时，分力随夹角增大而增大.当θ=120°时，分力=合力；当θ>120°时，分力>合力；当θ<120°时，分力<合力.

由此可解释原因：当两男生相距较远(θ>120°)时，女生较小的力能产生两个较大的分力，从而拉动两位男生.

4.3学以致用

师：汽车陷入野外树林里的泥坑中，司机手中只有一根长绳，请想办法帮司机把车拉出来.

生：用一根绳子两端分别连接大树和汽车，司机从中间可以拉动汽车，理论依据是：合力一定时，分力随夹角增大而增大.

5　小结

教学从一个有趣的游戏开始，激发了学生的兴趣，利用科学实验箱，通过实验探究，引导学生分析得出一个力所产生的作用效果，从而确定分力的方向，再根据力的平行四边形定则来进行力的分解，这是分解力的一般方法.

古人云：“学起于思，思起于疑.”科学家爱因斯坦也曾说：“提出一个问题，往往比解决一个问题更重要.因为解决一个问题往往是一个教学技巧而已，而提出一个新问题，新的可能性，从新的角度看旧问题，都要有创造性的想象力.”创新往往是从质疑开始的，本节课教学通过问题的提出，利用便携式科学实验箱让学生们进行探究，结合生活实例，提出解决办法，以激发学生的学习兴趣和求知欲，起到事半功倍的效果.教学中利用便携式科学实验箱，设计探究实验，引导学生由感性认识上升到理性认识，从而培养学生科学思维，为他们今后的发展奠定基础.