高中物理必修一教案-5.1 力的合成3-鲁科版

5.1力的合成
【教材分析】
力的合成是鲁科版物理必修一第五章第1节的内容。

在上一章学生已经学习了力的概念及力的三要素，掌握了重力、弹力、摩擦力等力的概念，对力有了一定的感性和理性的认识，同时在第二章中已经学习了位移、速度、加速度等矢量，对矢量也有了初步认识。

力的合成又是高中物理中极为重要的一个知识点，同时本节课所学平行四边形定则也是处理矢量运算的一个通则，因此本节课具有承上启下的作用。

【学情分析】
高一学生第一次接触矢量运算，而数学中向量的知识还没有涉及，如何让学生对矢量的运算法则有感性的认识，并学会探究一般事物规律的方法是本堂课的重点，也是难点。

在学习这节课之前，学生已经了解如位移、速度、加速度、力等诸多矢量概念，对矢量有初步的认识，知道矢量是既有大小又有方向的物理量，但对矢量性还没有真正意义上的理解，尚未涉及到矢量的运算。

本节课将通过师生共同参与的方式，透过认识一般事物规律的基本方法——实验探究法，让学生理解矢量的运算法则——平行四边形定则，并学会简单的运用平行四边形定则处理问题。

【教学目标】
1.知识与能力
（1）理解分力、合力的概念；运用等效替代的思想方法，探究分力与合力的关系。

（2）通过自主探究得到平行四边形定则，提升动手操作能力和归纳总结能力。

（3）自主发现并总结两分力大小不变，夹角变大合力变小的规律，并总结合力的范围。

2.过程与方法
（1）从生活中常见的实例出发，让学生理解等效思想在物理研究中的应用。

（2）通过探究事物规律的一般方法，让学生学会从生活中发现问题、提出猜想、设计实验、寻找规律，同时培养学生的观察能力、实验设计及操作能力、对物理现象的归纳总结的能力，从而有效的提升学生科学素养。

3.情感态度与价值观
（1）通过学生间的交流讨论、合作探究培养学生的合作意识。

（2）实验探究培养学生实事求是、尊重自然规律的科学态度。

【教学重点】
1.等效的思维方法。

2.探究力的合成满足平行四边形定则。

【教学难点】
学生探究实验的设计、操作。

【教学准备】
演示实验器材：橡皮筋，细绳套，力传感器，数据采集器，自制力的合成实验板，平板电脑等。

学生实验器材：弹簧测力计2个，长尾夹2个，三角板，木板，橡皮筋，细绳套，图钉，白纸等。

【教学过程】
一、【共点力概念】
自主体验一：
请同学们来体验一下用2个力来提物理书，桌上给大家准备了2只质量很小的长尾夹和2只弹簧测力计。

每组同学把每种提法的弹簧测力计读数F 1和F 2大小记录在草稿纸上。

主要有3种提法，在这3种测法中，甲图中两个力是平行的，
丙图中两个力作用在同一作用点上，乙图中虽然两个力不作用在
同一作用点上，但它们作用线的反向延长线交于一点。

如果几个力同时作用在物体的同一点上，或者它们的作用线相交于同一点，我们就把这几个力叫做共点力。

而有些力不但没有作用在同一点上，它们的延长线也不能交于一点，这一组力
就不是共点力。

自主体验二：
现在请大家用1个弹簧测力计来提物理书，并读数记录在草稿纸上。

自主体验结论：
○
1通过体验，我们发现各组F 1和F 2读数大小都不相同！甲图中与F 1、F 2是平行力，但F 1+F 2之和是常数；乙图和丙图中F 1、F 2共点力夹角不一样，弹簧测力计读数
也相应发生变化。

○
2用一个弹簧测力计来提物理书，结果比较一致！ 二、【合力、分力与力的合成】
思考一下几个问题：
1、用两个弹簧测力计提物理书的效果与一个弹簧测力计提物理书的效果是否一样？（是一样的）
2、你们依据什么说明两次效果是一样的？
两次均是将相同的书提起，甲图、乙图和丙图中两个弹簧测力计对书的拉力F 1、F 2与丁图中一个弹簧测力计对书的拉力F 合都与书的重力平衡，作用效果相同，称为等效。

（一）、为了研究这种等效关系，我们需要给F 1 、F 2和F 起一个名称，F 合就叫做F 1、F 2的合力，F 1、F 2就叫做F 合的分力。

合力和分力两个名称是对应的。

（二）、如果有一个物体同时受到几个力的作用，我们找到一个力来等效替代它们，同样可以使复杂问题简单化，这一个力就叫合力。

求几个力的合力的过程，就是：力的合成。

三、【探究合力与分力的关系】
注意： 1．夹子主要是用来挂书的，弹簧测力计可以测出你提书使的力，但在使用弹簧测力计之前务必校零 2.测量时弹簧测力计的轴线与细线在同一直线上 3.读数时,视线要与弹簧测力计刻度盘垂直
通过刚才的学习，我们知道合力可以等效替代分力，但还不知道它们的定量关系。

从自主体验中，我们可以知道：
（一）、当两个分力同向时， F1 、 F2的代数和基本是一致的，大致等于合力F合。

也就是说，两个分力同向时，合力等于两个分力相加。

（二）、那如果两个分力互成角度，它们与合力之间又有什么关系呢？这就是我们今天探究的重点。

探究活动：互成角度的两个分力与合力的关系
环节1：请同学们观察实验器材：弹簧测力计2个，三角板，木板，橡皮筋，细绳套，图钉，白纸。

进行讨论，设计探究方案。

在设计方案的过程中，思考以下几个问题：
（1）实验原理是什么？
（2）如何确保效果相同？
（3）如何测得力的大小、方向？
（4）怎样准确直观的描述力？
（开始讨论，停顿几秒）好，基本上同学们有了方案，，现在请同学来回答一下这几个问题。

（1）实验原理是什么？（合力与分力的作用效果相同）
（2）如何确保效果相同？你准备怎么做？（静止提着同一个重物；还有没有其他方案的，或将橡皮筋沿相同方向拉伸相同长度，也可以将一端固定的橡皮筋拉到同一位置）（3）如何测得力的大小、方向？（力的大小由弹簧测力计测出，用细绳确定力的方向）
（4）怎样准确直观的描述力？（我们学过两种描述力的方法，力的图示和力的示意图，这里用力的图示，使用同一个标度，画出力的图示）
环节2：学生汇报探究方案
教师演示（在汇报探究方案的同时）：
介绍力传感器，利用自制力的合成实验板与力传感器作出两个互成角度的分力以及合力的图示。

(这里有一套力的合成实验板，除了弹簧测力计，我们还可以用力传感器来测力的大小，力传感器通过数据采集器连接电脑，在电脑中显示力的大小。

我们先来测两个分力F
1和F
2
，首先把力传感器调零，将一端固定的橡皮筋拉到一
定位置，记录结点的位置O，读出力的大小，上面的示数为F
1
= N，下面的示数为
F
2
= N，利用细绳，在细绳的方向上点下两个投影点，连接O点和投影点，得到力的方向。

实验板上设有角度，可以读出力与水平方向的夹角，F
1
与水平方向的夹角α= °，
F
2
与水平方向的夹角β= °。

同样的方法，我们可以得到合力，移动力传感器并再次调零，注意要将结点拉到
相同位置O，记录合力的大小和方向F
合= N，点下投影点，得到合力的方向，F
合
与水平方向的夹角θ= °
最后，作力的图示。

我们的实验板上设有等间距的同心圆，以一格的长度为0.2 N，
画出力的图示——提醒:要画出标度，标注清楚F
1 F
2
F
合
)
提出猜想：
仔细观察三个力的图示，它们之间是什么定量关系呢？是不是数值相加减呢？不是，又会是什么关系？
给个小小的提示：力是矢量，有大小有方向，那合力会不会与分力的大小和方向都有关呢？
请同学们两人组成一小组，动手实验，两分力的夹角可以不同，作出合力与分力的图示。

实验时注意操作规范。

（PPT上显示实验注意事项）。

（停顿几秒）
环节3：学生自主实验，教师巡视发现问题，引导学生进行规范的实验操作。

提出猜想：（一定要放慢速度）
现在大家得出了三个力的图示，请仔细观察合力与分力的图示，猜想一下，它们之间有什么关系呢？（停顿几秒）
如果把三个箭头尝试连接起来，这是一个什么形状呢？（四边形）——虚线连接三个箭头具体是什么四边形呢？（像平行四边形）
每一组都像吗？大多数同学都说像。

说不定合力与分力之间和平行四边形有某种关联。

——擦去虚线
提示：
（PPT演示如何画平行四边形）我们可以将这两个分力的线段大小为邻边作一个平行四边形，注意虚实分清,作出对角线F’，测量出F’的大小，同样画出图示。

对比对角线F’与实际合力，看它们是否大致重合。

现在大家根据各自的分力的图示，作出平行四边形，看看你们作出的平行四边形对角线与实际的合力大致重合。

（停顿几秒）
环节4：成果展示。

这里我看到了同学们的成果，对角线与实际合力的大小和方向大致相同。

教师演示：
用几何画板演示力的平行四边形，比较平行四边形的对角线与实际的合力的大小与方向。

（现在老师以传感器得到的数据，借助更精确的几何画板，作出平行四边形，先输入分力的大小和方向 F1= N，α= °；F2= N，β= °，作出平行四边形，显示对角线F’，测量出对角线F’的大小，得出F’与水平方向的夹角为°。

然后输入实际合力F合= N，θ= °，比较F’和F合，误差很小。

）
我们就可以说，在误差允许范围内，力的合成遵循平行四边形定则。

结论：二力合成时，以表示原来两个分力F1、F2的线段为邻边作平行四边形，那么合力F合的大小和方向就可以用两个邻边所夹对角线来表示。

（三）、思考与讨论：
当F1、F2大小一定,夹角增大,合力如何变化? 合力的范围如何?
观察式探究：利用力的合成实验板演示，以及flash动画，引导学生归纳
两分力F1、F2大小一定时，两分力的夹角越大，合力越小。

｜F1－F2｜≤ F合≤F1＋F2
合力可能大于、等于、小于任一分力。

【板书设计】
5.1力的合成
一、共点力
二、
三、探究分力与合力的关系：
结论：力的合成遵循平行四边形定则。

【教学反思】
等效替代是物理学中常用的方法，之前找重心用到等效替代的思想，在以后的学习过程中，例如运动的合成和分解，等效电路，交流点的有效值定义等，都要用到等效替代的方法。

本节想突出这一思想，几个力找一个力替代时，紧紧抓住力的作用效果是解决问题的关键，并贯穿于课堂始终。

力的合成这一实验由传统教材的验证实验改成了探究实验体现了新课程以学生为主体的教学思想，让学生在探究活动中体验更加真实而深刻。

探究有难度，考虑学生的情况，我的做法是先通过对熟知的提水桶联系到我们要探究的合力与分力的关系上，目标明确，知道自己干什么，思维清晰，步骤清楚。

采用这种做法之前的教学中，多数学生比较盲目，互相问该怎么做，为什么这么做。

在力的合成演示实验得出的“作品”，进一步提出问题：“建议同学们把合力的箭头端分别与两个分力的箭头端做连接，组成了一个四边形，这个四边形有什么样的特点？”绝大多数组的同学说是平行四边形。

为了培养学生科学严谨的态度，尝试用几何画板作图进行实际合力与理论合力的对比，在下一节课中，建议学生进行自主实验，自行检验是否是平行四边形。

归纳总结得到平行四边形定则。