力的平衡教案

力的平衡

[教学目标]

1.道平衡力的概念以及共点力的平衡条件，能运用共点力的平衡条件解释一些简单的生

产生活中的问题。

2.尝试通过实验，探究共点力作用下物体的平衡条件；尝试运用共点力合成、分解的知

识以及平衡条件解决一些与生产和生活相关的实际问题。

3.通过学习，发展对科学的好奇心与求知欲，培养将物理知识应用于生活和生产实践的

意识。

[重点和难点]

通过理论和实验推导出三个力的平衡条件，知道多个力平衡的条件是本节课的重点；在解决实际力的平衡问题中，应用相似三角形、线段比例性质以及三角函数等数学

知识是学生学习过程中的难点。

二、案例设计

（一）由生活现象导入新课

师：在自然界物体存在的形式是多种多样的。矗立的岩石和各类建筑，马路上逐渐加速

的汽车，匀速上升的电梯上站立的人，绕太阳运转的地球等等。我们描述某些物体状态时常

用“平衡”这个词。大家能否联想一下自己的日常生活中的例子，哪些物体是平衡的？在物

理学中“平衡”这个词究竟是指什么含义呢？

预测：学生可能有以下两种倾向：

1——认为平衡就是静止，举的例子都是教室中静止的吊扇、电灯或老师所提到的静止

的岩石或建筑物等等。

2——有些初中教师曾在惯性的教学中补充过平衡的含义，学生还记得这一知识点；也

有一些学生事先预习过课本，他们可能会说出正确的答案。

教师可让学生通过相互交流，达成正确的认识。并总结：保持原有运动状态不变叫做平

衡，即速度恒定不变的就是平衡的物体。这里包括速度恒为零的静止状态，是一种静态的平

衡；也包括运动间的平衡，即速度不为零、但大小方向都不变的匀速直线运动状态。

例1：停泊在水面上的船只、被两只狗来回争夺的骨头、在两人合力匀速向上拉起的牌

图4：两只狗来回争夺骨头图5：两人匀速向上拉起牌匾图6：沿水平地面匀速拉皮箱匾、被拉着沿水平地面匀速前进的皮箱、沿滑梯加速滑下的女孩，这些物体中哪些是平衡的，

它们分别受到哪些力的作用？

*说明：这一例题可以让学生巩固加深“平衡”概念的认识，为下面研究共点力的平衡

条件做好铺垫，同时也让学生感受到物理知识与生活的紧密联系。

（二）共点力平衡的条件

1、引言：

师：有的物体在两个力作用下平衡，如停泊在水面上的船只，有的物体在三个力作用下平衡，如在两人合力匀速向上拉起的牌匾，而被拉着沿水平地面匀速前进的皮

箱则是在四个力作用下平衡的。但只要物体处在平衡状态，我们就说物体是所受的力是平衡的，那么力的平衡要满足什么条件呢？

预测：

学生比较可能回答：我们初中学过二力平衡的条件，二力平衡的物体所受的两个力必定大小相等、方向相反、作用在同一直线上。

程度较好的学生可能会答出：按照惯性定律，物体不受任何外力时将保持运动状态不变，所以物体不受力时也能平衡。

师：对！那三力平衡或四力平衡要满足什么条件呢？

一般来说学生对这一问题会感到难以作答，教师可激发学生的求知欲，提出下一步学习目标。

2、 共点力平衡的条件的实验探究： （1）实验的设计：

师：下面我们就从三力平衡入手，设计一个实验探索一下三力平衡的条件是什么？ 给每桌学生提供了一些可能用到的实验器材。大家根据这些器材分组讨论一下，怎样让一个物体三力平衡？要测量哪些物理量？要用哪些器材？

[实验器材]：

①木板一块 ②定滑轮若干 ③不同长度的细绳三段 ④钩码一组 ⑥白纸 ⑦铅笔 ⑧尺 ⑤量角器 ⑨图钉若干

预测：这一实验有前一节力的合成的实验做基础，学生在设计实验上不会有太大困难。教师充分调动学生参与讨论，让大家互相提出问题，修正各自的实验设计，集思广益，拓展思路。

各组可能在讨论后提出以下各种见解：

组1代表：匀速运动的物体不好控制速度，也不好测量。所以我们想用两个弹簧秤拉着钩码，使钩码保持静止，则钩码就是在两个拉力和重力作用下的三力平衡（如图4所示）。我们要用的器材有：两个弹簧秤、钩码、两根细绳、还要有木板、白纸和图钉、铅笔、尺子和量角器。做法是：在竖直木板上钉两个图钉A 和B ，用不同长度的绳OA 和OB 系着两个弹簧秤，每个弹簧秤的另一端连接重力为G 的钩码，在钩码平衡时，两拉力的

大小就可以直接在弹簧秤上显示出来了。测出两绳拉力的大小，并记录拉力方向，并用弹簧秤测出钩码的重力。作好钩码的受力图示，才能表现出三个力之间的关系。

师：不错，其他同学有什么意见和建议？

生2：最好能在保持钩码平衡的情况下改变两绳的长度，重复测量并作图。从中寻找规律。这样规律才有普遍性。

生3：弹簧秤这样斜着拉，测量可能不会准确？

生4：应该有影响，因为这样拉，弹簧秤的拉力就会偏离弹簧秤的轴线方向，且弹簧秤还有自重，这样会造成很大的误差。

师：这个误差是比较大的。大家有没有改进的方法?

组2代表：我们组不用钩码，把木板放在水平面上，采用三个弹簧秤。（如图5），就不会有这个问题了。

生3：没有钩码，那受力物体是什么？

图7

组2代表：我们可以在三个弹簧秤中间放一个钩码，这个钩码在三个拉力的作用下静止。 生3：但这样钩码在水平面上静止时，可能还会受到静摩擦力的作用。那就不是三力平衡，而是四力平衡了。

师：不用钩码也是可以的。我们可以把三段细绳的连接点看成质量极小的物体，这称为结点受力。还有其他的方案吗？

组3代表：我们组利用了定滑轮。定滑轮可以改变力的作用方向而不改变力的大小。那我们把每条线的拉力通过定滑轮改成竖直方向，就不用担心弹簧秤的拉力与轴线不一致的问题了。而且还可以不用弹

簧秤，只要象图6那样，让三串钩码都通过三根细绳对结点产生拉力，静止时即为三力平衡。则钩码的重力大小与相应细绳对接点的拉力大小相等，由此可记录三力的大小；标记每条细线拉力方向的方法是使视线通过细线垂直于纸面，在细线下面的纸上用铅笔点出两个定点的位置，并使这两个点的距离要尽量远些，连接两定点，即可得到拉力方向。依据力的大小和方向做出三个力的图示，即可比较三个力的关系。用钩码施加拉力就可以了。组3用三个弹簧秤，同时读数很困难，图示也难画。而我们的实验方案中测拉力的大小时只要数砝码的个数就性了，图也好作。

生4：可这样做不用考虑定滑轮与绳子之间的摩擦力吗？一样也会有误差的。 组3代表：每个实验都会有误差的，只要我们这种方法误差小就行了。 其他组：你们误差一定最小吗？也许我们的方法误差更小呢！

师：大家都说的非常好。这里其实已经有了三种实验设计。至于哪一种误差更小，做法更好，我们就实际做了再说。大家分组各自选定一种方法进行实验，过一会我们再来交流各组的实验结论。

*说明：由于这一实验与力的合成探究实验大体相同，所以在实验操作上不要花太多时间，而把精力放在让学生自觉运用已学知识设计探究实验上。

（2） 实验探究——三力平衡的条件 学生分组动手实验(观察学生实验情况)

提醒学生在实验时应注意吸取上一节实验的经验教训，取适当大小和夹角的力，尽量减小实验的误差。

（3） 交流实验结果： 让每一组用实物投影展示本组同学所做的力的图示，并汇报本组在实验中的结论和感想。

预测各组基本都能得出三个力要满足的条件是：以OA （即F 1）和OB （即F 2）为邻边作平行四边形OADB ，根据平行四边形定则，其对角线OD 就表示F 1与F 2合力F （如图7）。用刻度尺量出OD 的长并与OC 相比较。

则在误差允许的范围内，F 1、F 2的合力与F 3大小相等，方向相同；如果将F 1、F 2的合力再与F 3合成，则三个力的合力为零。

但采用滑轮的方案3完成的最快，采用两个弹簧秤的方案1误差偏大，用三个弹簧秤的方案2则完成的最慢。方案3的确是较好的设计。

师：在听完各组的汇报之后，大家有什么新的认识？ 预测学生可能会提出以下一些观点： 1、 若各组改变自己力的合成顺序，比如先将F 2 F 3合成，它们的合力也与与F 1平衡。

2、 虽然各组的图差别很大，但任何一组三力的合力都是零。

综合起来，即任意两个力的合力与第三个力都平衡，三个力的合力为零，这便是三力平衡的条件。

图9

A

B

O C

图10 D C