“探究共点力平衡条件”实验的创新设计

张 鸣

安徽省合肥市第四中学(230000)

1 问题的提出

“共点力的平衡”是人教版普通高中教科书物理必修第1册第3章第5节的内容[1],在原教材中作为牛顿第二定律应用的特例,新教材中独立为一个新的章节,丰富了“相互作用”这一章的内容,并作为本章的重难点,使得静力学的体系更加完善,另外本节习得的思维方法,也给“牛顿运动定律”的学习奠定了基础,有助于循序渐进地形成运动和相互作用观念。

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》对“共点力的平衡”一节提出了具体要求:能用共点力的平衡条件分析生产生活中的问题[2],淡化了用“力的合成与分解”处理静力学问题,因此学生对共点力平衡条件的掌握将至关重要。教材在“二力平衡”的基础上,通过问题情境拓展到物体受多个共点力作用,启发学生通过力的合成,最终结合二力平衡得出F合=0的结论,结合学生学情,为激发学生的求知欲和学习兴趣,教师不仅要从理论上演绎推导,也要精心设计实验加以验证;不仅要利用传统实验测量仪器,比如弹簧测力计,也要利用DIS数字化实验系统等新兴实验设备,让学生直观、形象地认识“共点力的平衡”实验,发展学生的物理学科核心素养。

通过设计实验方案,让学生分组利用弹簧测力计探究“三力平衡的条件”,再利用力的传感器演示探究“四力平衡的条件”,通过分组实验和演示实验培养学生的科学探究能力和创新能力,最后利用手机拍照确定力的方向再利用几何画板作出力的图示,进行力的合成,这样可以有效减小使用弹簧测力计带来的实验误差。

2 核心素养目标

2.1 物理观念

形成更加深入的平衡观念,并能用平衡观念解释生活中的平衡现象。

2.2 科学思维

(1)具有使用已学知识和方法的意识,能够运用平行四边形定则在实验研究中得出两个力的合力;

(2)能使用共点力的平衡条件解决一些实际问题。

2.3 科学探究

(1)能正确实施实验研究方案,准确使用实验仪器、收集实验数据;

(2)具有分析论证的能力,会结合手上的工具处理实验数据,并作出解释;

(3)具有合作与交流的意愿和能力,能够准确表达实验过程和结果。

2.4 科学态度与责任

(1)能正确认识平衡条件;

(2)能主动与他人合作进行分组活动。

3 实验方案设计

3.1 学生分组实验:探究“三力平衡的条件”

3.1.1 实验准备

将3根细绳系于一点,绳子另一端打结形成绳套,如图1所示;制作由等距(本实验设置为1 cm)的同心圆构成的坐标纸,如图2所示。

图1 自制实验绳套

图2 自制坐标纸

3.1.2 实验操作

步骤一:3个弹簧测力计互成一定角度拉动绳套,保持绳的结点静止在坐标纸的O点,如图3所示,记录各个力的大小和方向,如图4所示。

图3 结点在三力作用下的平衡

图4 记录力的大小和方向

步骤二:作出3个力的力的图示,利用平行四边形法则求出其中2个力的合力,如图5所示,再与第3个力比较大小和方向,如图6所示。

图5 拉力的图示

图6 比较2个力的合力与第3个力

步骤三:教师利用智慧平板拍照展示每一个小组的实验结果,归纳总结物体在3个共点力作用下的平衡条件:合力为零。

3.1.3 实验小结

弹簧测力计使用前应先较零,弹簧测力计的轴线方向要与细绳套在同一直线上,弹簧测力计要与桌面平行,拉力适中,力与力之间的夹角适当,但是实验操作中发现弹簧测力计的示数往往不太稳定且不够精确,给实验造成较大的误差。

3.2 教师演示实验:探究“四力平衡的条件”

3.2.1 实验装置

将4根细绳系于一点,绳子另一端打结形成绳套;用4块钕磁铁固定住4个力传感器,便于在黑板展示。

3.2.2 实验操作

步骤一:先对4个力传感器进行调零。

步骤二:将4个力的传感器的挂钩连接在绳套末端,使结点在4个拉力的作用下处于静止状态,调整拉力的方向使之沿绳套的方向,通过数据采集器和Logger Pro软件,记录4个传感器的示数。

步骤三:通过手机正对装置拍照记录拉力的方向并上传至电脑。

步骤四:利用几何画板插入背景从而确立力的方向,再作出力的图示,利用几何画板自带的数据处理系统分别对力F1和F3进行合成以及对力F2和F4合成,比较F13和F24的大小和方向,如图7所示,最后得出4个力作用下物体的平衡条件,即:任意两个力的合力与另外两个力的合力大小相等,方向相反。

图7 用几何画板确定合力的大小和方向

3.2.3 实验结论

通过传感器精确地测量拉力的大小并进行多组实验发现,使用这种方法进行实验相对误差非常小,能够精准达到高中物理实验的要求。

4 针对该实验设计的评价与总结

(1)本实验设计是对教材内容的必要补充,目的是减少学生知识学习的跨度,当然针对不同学校的实际情况和课堂的时间安排,可以对上面的实验进行取舍和改进,让学生认识到如何对物理知识进行阐释,激发学生学习物理的兴趣。

(2)通过自制教具解决实际教学的困难,比如利用钕磁铁对传感器的固定,从而方便地进行演示实验。

(3)利用手机和智慧平台拍照上传分享,将智能电子设备应用到高中物理教学中,让学生感受到信息技术的发展带来课堂的变革。

(4)将力的传感器、数据采集器、Logger Pro软件以及几何画板综合起来使用,让学生体验科技发展使得教育技术得以更新,拓展了学生的视野。