“力的分解”实验教学探究及其拓展

华北油田第三中学(062552) 李富恩 骆雅杰

澳门城市大学教育学院(999078) 何彦雨

1 引言

2017年人教版高中物理课程标准中对于“力的合成和分解”的课时分配建议为2个课时。通过本节第一课时力的合成学习，学生已经掌握了力的合成满足平行四边形定则，会根据平行四边形定则对两个力或多个力进行合成。而在“力的分解”知识点教学上教材采取的处理方式是：首先将拖拉机对耙的拉力沿着水平和竖直两个方向上进行讨论，从而引出本节课的第一个问题——力的分解；随后根据例题，斜面上物体受到的重力分别沿着斜面和垂直于斜面进行分解，并把这种分解的方法定义为正交分解法。但是学生对于按照力的作用效果将力进行分解总是理解不够深入，导致本节讲解起来也显得过于枯燥。

高中课本中有两个按照效果分解的实例，一是绳子与杆的连接，另一个就是课本中的斜面上物体重力，下面，笔者对这两个模型在课堂教学中的改进做一个展示。

2 教学过程

通过前一节课的学习，学生已经掌握了力的平行四边形定则，上课前要求学生对实验设计理念和DIS实验特点通过微课进行课前预习，让学生对本节课的内容和学习目标有一定的认识。本节课主要的实验教学内容及学生的活动分为以下几个环节。

环节一：结合课前预习，学生自行完成对力的分解概念的理解。并分享预习导学案上判断题答案及其分析解析。

环节二：学习课本中拖拉机对耙的拉力的分解，进一步理解一个力可以分解为无数组分力。教师指出力的分解虽然可以有无数组，但是我们在实际分解中要根据力的作用效果进行分解。常见的力的分解物理模型有2个。

环节三：学生探究模型一(三角支架悬挂物体的拉力分解)。

学生体验：按照图1所示，绳子一段套在手指上，另一端拴在笔的右端，笔的另一端抵在手上，笔与绳子的连接(结点)处悬挂重物，体会细绳和笔对手的作用效果。

学生实验：用带有小格的伸缩杆称量悬挂重物的重力，当重物静止时记下伸缩杆露出的小格数，表示悬挂重物的拉力大小，用2个相同的伸缩杆制成三脚架，悬挂上称量的重物后，通过露在外面的小格来显示作用力的大小，如图2所示。学生记录2个伸缩杆的夹角和作用力大小，在结点处作出竖直向下的拉力G、对倾斜杆的拉力G1、对水平杆的压力G2三力示意图，看是否满足平行四边形定则。

结论：在误差允许范围内，可以认为拉力按照作用效果分为了对斜杆的拉力和对水平杆的压力。至此完成了第一个模型的探究。学生通过体验感受到了两个力的作用效果，并且根据实验验证了拉力的两个分力满足力的平行四边形定则。但是这个根据小格长度估读力的大小，确实误差很大，也很不规范，实验还可以进行改进，有待学生进一步思考。学生思维受到启发，马上回归课本，学习课本中的例题，斜面上物体的重力按照作用效果应如何分解。

环节四：学生探究模型二(斜面上物体的重力如何分解)。

学生活动1：静止在斜面上的物体受几个力的作用？你能画出物体的受力分析示意图吗？

学生活动2：我们可不可以根据物体处于平衡状态，分析一下物体的重力可以分解为哪两个方向的分力？

学生活动3：你能用什么方法体现出重力的两个分力的作用效果？学生经过分析讨论，展示自己的设计。要想看得见力的作用效果，必须把力的作用效果放大，也就是说要放大形变，其中一个非常成功的设想就是利用海绵展示明显的形变。设计实验如图4所示。当铁块放到斜面上，2块海绵都发生了严重形变，由此可以看出，斜面上的物体重力的两个作用效果是沿斜面向下和垂直于斜面向下。

学生活动4：能不能定量地测量物体对2块海绵的压力大小？请你设计一个实验进行探究。学生想到利用弹簧秤测量，但弹簧秤只能测量拉力大小，于是设计了图5中的探究实验。将斜面抬起一定角度，利用量角器测量斜面的倾角，利用2个弹簧秤将物体挂住，刚好让物体与斜面间无压力。读出2个弹簧秤的示数，根据物体的重力和2个拉力的大小关系，看是否满足平行四边形定则。

学生活动5：请同学们分析此次实验的误差以及实验弊端。实验操作中不好调整2个弹簧秤的位置，使其能够刚好保障小车与斜面无压力，也不能完美呈现斜面上弹簧刚好与斜面平行，而且弹簧秤读数也存在一定误差。鉴于此，我们还需对实验进行改进。

学生活动6：能不能直接测量物体对斜面的压力，对于作用力的读数还可以进一步精确化，为此我们引出了力传感器——能够直接在计算机上显示拉力或压力的大小。实验装置如图6所示，将2个力传感器分别固定在斜面上，调整好传感器的位置使悬挂上重物后的绳子与斜面平行。选择半个空水瓶作为装钩码和砝码的托盘(质量相对较小，可略去不计)。通过数据线将2个力传感器连接到电脑，直接读出力的数值。

在塑料瓶里加1个钩码，之后添加砝码来增加重物的重力。实验中将斜面调整到与水平面成53°角,将传感器读出的作用力跟Gsin53°和Gcos53°对比，如果在误差允许范围内相等，就可以证明斜面上物体的重力按照效果确实分成了沿斜面和垂直于斜面的两个方向上的分力。

3 总结反思

本节课教材主要是通过理论推导进行力学知识教学，没有实验作为铺垫，这对于高一刚刚接触力学知识的初学者，确实存在很大的障碍。笔者在这节课中设置了一系列的学生活动，让学生通过参与实验设计、感知实验效果，达到本节课的教学目标。