高中物理人教版 (2019)必修 第一册第三章 相互作用——力5 共点力的平衡教学设计

3.5力的分解

一、              教材分析 

高中物理必修1第五章第二节力的分解是在学生学习了前一章力的基础知识及力的合成之后而编排的。由于分解法是高中物理解决复杂问题的一种重要的方法。它为位移、速度、加速度等矢量的分解奠定了基础。并且它对矢量运算普遍遵守的规律“平行四边形定则”作了更加深入的了解。所以说本节内容具有基础性和预备性。因此，力的分解这节课在整个教材中的地位也是显而易见的

二、              教学目标

1、知识与技能

（1）理解分力的概念，清楚分解是合成的逆运算。

（2）会用平行四边形定则进行作图并计算。

（3）了解力的分解具有唯一性的条件。

（4）掌握根据力的效果进行分解的方法和正交分解法。

2、过程与方法

（1）强化“等效替代”的思想。

（2）培养学生观察及设计实验的能力。

（3）培养运用数学工具解决物理问题的能力。

3、情感态度与价值观

（1）培养学生参与课堂活动的热情。

（2）培养学生将所学知识应用与生产实践的意识和勇气。

三、       教学重点

（1）理解力的分解是力的合成的逆运算。（2）掌握运用平行四边形定则进行力的分解。

四、       教学难点

（1）力的分解具有唯一性的条件。（2）力分解时如何判断力的作用效果及确定两分力的方向。

五、   教学过程

［新课导入］

【演示实验】

用一根细线提起一个重物和用两根细线同时提起这个重物，在实验演示之前先展示问题.

师:是一根细线容易断还是两根细线容易断?

生:（非常肯定地回答）当然是一根细线容易断.

实际演示，当两根细线之间的夹角较大时，两根细线中的一根先断

通过实际实验，和学生的认识形成较大的反差，可以激发学生兴趣，引发学生进一步的思考.

师:我们学习完这一节课“力的分解”之后就会明白这个问题.

［新课教学］

一、力的分解

师:我们上一节课学习了力的合成，现在我们学习力的分解，大家根据力的合成的定义方法来定义一下什么是力的分解.

生:求一个力分力的过程和方法叫做力的分解.

师:求合力的方法是什么？

生:（一起回答）平行四边形定则.

师:那么求分力的方法是什么？大家大胆地猜想一下.

学生探究讨论力的分解的方法

生:（小声、不敢肯定，有些犹豫）可能也是平行四边形定则.

师:你得出这个结论的依据是什么？

生:从逻辑角度讲，这两个分力的合力就是原来被分解的那个力，所以力的分解是力的合成的逆运算.因为力的合成遵循平行四边形定则，那么力的分解也应该遵循平行四边形定则.

师:（微笑鼓励）刚才这位同学分析得非常好，像这种方法，我们并没有通过实验来验证结论，而是通过逻辑推理进行分析探究，这种研究问题的方法叫做理论探究.根据这个结论，要分解一个力，我们应该把这个力当成什么？

生:我们要把这个力当成平行四边形的对角线.

师:当用平行四边形的对角线表示合力时，那么分力应该怎样表示?

生:分力应该是平行四边形的两个邻边.

师:如果对角线确定了以后，根据几何学的知识，它的两条邻边是不是就唯一确定了呢？

生:不是，当对角线确定了以后，它相邻的边有很多组.

师:同学们在练习本上作出一条对角线，然后作这条对角线相邻的两条边，看能够做多少条.

学生练习，体验不加以限制的话，一个力的分力有无数组解

生:有无数组解.

师:这样研究一个力的分力显然是不可能的，也是不现实的，那么我们应该怎样研究一个力的分力呢？

生:可以放在具体受力环境中进行解决.

【演示实验】参考实验，可以进行实物投影（图3－5－1）

图3－5－1

师:一个水平放置的薄木片，在它的上面放置一个小物体，可以观察到什么现象？

生:可以看到薄木片被压弯.

师:这一个效果是由什么原因引起的？

生:是由于物体本身的重力引起的，它产生了一个使物体向下压的效果.

师:我们能不能把木片竖直放置而使物体静止呢？如果不能，应该怎样做才能使它静止？

生:当然不能，应该用一个绳子拉住物体才能使它静止.

师:为了使力的作用效果更容易被观察到，我们用一根橡皮筋代替绳子，当木片竖直放置时（图3－5－2），橡皮筋发生了形变，也就是受到了弹力；木片是不是发生了形变？

图3－5－2

继续演示实验

师:仔细观察木片竖直放置时，木片的受力形变情况和橡皮筋的受力形变情况应该是怎样的呢？

生:木片不发生弯曲，说明木片没有受到物体力的作用；橡皮筋被拉长了，说明橡皮筋对物体有力的作用.

师:使橡皮筋发生形变的力是什么力？

生:原因还是由于物体受到重力使橡皮筋发生了形变.

师:如果既不竖直放置木片，也不水平放置木片，而是让木片与地面成一角度（图3－5－3），我们再来看一下橡皮筋和木片的形变情况.

图3－5－3

生:木片和橡皮筋同时发生了形变，说明两个物体都受到了力的作用.

多媒体投影例题

把一个物体放在倾角为θ的斜面上，物体受到竖直向下的重力，但它并不竖直下落.从力的作用效果来看，应该怎样将重力分解？两个分力的大小与斜面的倾角有什么关系？

师:大家可以讨论探究应该怎样解决这个问题.

学生讨论探究，自己独立完成解答过程

生:根据刚才的分析，根据重力产生的效果，重力应该分解为这样两个力:平行于斜面使物体下滑的分力F1、垂直于斜面使物体压紧斜面的力F2.

师:由几何关系可知，这两个力和重力之间的关系是怎样的？

生:F1=Gsinθ，F2=Gcosθ.

师:由刚才那位同学推导出的公式知，这两个分力的大小与物体本身的重力和斜面倾角θ有关，有什么关系？

生:斜面倾角θ增大时，F1和F2都减小.

师:下面我们再通过实验验证一下是不是这样.

【实验验证】 通过抬高木片的一端使木片与地面间的夹角逐渐增大，通过观察橡皮筋的形变量来看F1的变化，通过观察木片的形变程度的观察来看F2的变化.（注意:如果物体是一个木块的话应该让木块和木片之间的摩擦很小，也可以用小车代替木块来做实验，因为滚动摩擦比滑动摩擦要小）

动画模拟刚才实验的过程，以便学生能够更为全面地了解两个分力的变化情况

投影展示桥梁的引桥，引发问题

师:我们知道，桥梁建设得越长，消耗的生产资料越多，为什么桥梁的引桥还要建设那么长呢？

生:增大引桥的长度的目的是减小桥与地面之间的夹角，从而使汽车的重力沿桥面方向的分力减小，减少交通事故的发生.

师:刚才这位同学分析得很好，为了加深对力的分解的认识，我们看以下的练习题.

【课堂训练】

1.如果斜拉桥塔柱两侧的钢索不能呈对称分布，如图3－5－4所示，那么怎样才能保持塔柱所受的合力竖直向下呢？

图3－5－4

解析:因为钢索的斜向拉力会对塔柱产生两个效果:一方面竖直向下压塔柱，另一方向沿水平方向拉塔柱，故可以把两个斜向的拉力各分解为一个竖直向下的分力和一个水平方向的分力.要使一对钢索对塔柱拉力的合力竖直向下，如图3－5－5所示，只要它们的水平分力大小相等就可以了，即F1x=F2x，而F1x=F1sinα，F2x=F2sinβ

图3－5－5

所以有F1sinα=F2sinβ，即.

结论:两侧拉力大小应跟它们与竖直方向夹角的正弦成反比.

2.在倾角α=30°的斜面上有一块竖直放置的挡板，在挡板和斜面之间放有一个重为G=20 N的光滑圆球，如图3－5－6所示.试求这个球对斜面的压力和对挡板的压力.

图3－5－6

答案: N  N

解析:球受到向下的重力作用，这个重力总欲使球向下运动，但是由于挡板和斜面的支持，球才保持静止状态，因此球的重力产生了两个作用效果，如图所示，根据作用效果分解为两个分力:（1）使球垂直压紧斜面的力F2；（2）使球垂直压紧挡板的力F1.由几何知识可得F1与F2的大小.

如图3－5－7所示，三个力可构成一个直角三角形.

图3－5－7

由几何关系得，球对挡板的压力F1=Gtanα= N，

其方向与挡板垂直.

球对斜面的压力F2= N，

其方向与斜面垂直.

（注意:以上两个例题可以根据学生的实际情况选用，其中第一个难度大些，可供学生整体水平较高的班级使用，第二个和我们的例题类似，可以在例题之后直接进行，如果再进一步地研究这个问题，可以使挡板缓慢地逆时针旋转，让学生求解在这种情况下重力的两个分力的变化情况，锻炼学生分析动态变化的问题的能力）

二、矢量相加法则

师:通过这两节课的学习，我们知道力是矢量，力的合成与分解不能简单地进行力的代数加减，而是根据平行四边形定则来确定合力或者分力的大小和方向.前面我们学过的矢量还有位移，位移的相加也遵循平行四边形定则吗？我们来看教材69页“矢量相加法则”这部分内容，然后回答有关问题.

学生阅读课本有关内容，初步认识平行四边形定则不仅仅适用于力的合成与分解，同样也适用于其他矢量的合成与分解，通过学生自己总结分析，可以提高学生物理知识的迁移能力、用一种方法解决不同问题的能力.

师:位移的矢量合成是否遵守平行四边形定则?

生:位移的合成也遵守平行四边形定则.

师:什么叫三角形定则?

生:把两个矢量首尾相接从而求出合矢量的方法，叫做三角形定则.平行四边形定则和三角形定则实质上是一样的，只不过是一种规律的不同表现形式.

师:什么叫做矢量，除了位移和力，我们所学的哪些物理量还是矢量？

生:既有大小又有方向，并且在相加时遵从平行四边形定则（或三角形定则）的物理量叫做矢量.除了位移和力之外，我们所学过的速度、加速度等都是矢量.

师:什么是标量，我们以前所学的哪些物理量是标量?

生:只有大小，没有方向，求和时按照算术法则相加减的物理量叫做标量.我们以前所学过的质量、体积、距离、密度、时间等物理量都是标量.

【课堂训练】

举重运动中保持杠铃的平衡十分重要.如图3－5－8所示，若运动员举起1 800 N的杠铃后双臂保持106°角，处于平衡状态，此时运动员两手受力各为多大？（sin53°=0.8，cos53°=0.6）

图3－5－8

答案:1 500 N

解析:方法一:取杠铃为研究对象，受到重力和两手对它的作用力，如图3－5－9所示，为方便起见，把三个力画成共点力.将两个FN分解为竖直方向和水平方向的分力和，如图3－5－10所示，则有G=2=2FNcos53°，可解得FN=1 500 N.

图3－5－9       图3－5－10

方法二:将它们移到同一点，再把两个FN合成，得图中所示的菱形，加一条辅助线后得到四个直角三角形，所以FN== N=1 500 N.

六、       课堂小结

对于力的分解，学生比较容易理解，而对于力的分解要按照力的实际作用效果进行分解这一点，较难理解.这节课多处增加了学生参与，并通过亲身体会力的作用效果的这个小实验，激发学生的学习兴趣，培养学生动手操作和分析实际问题的能力、归纳问题的能力.

把物理公式与生活实际联系起来，用物理语言解释生活现象.

通过分析日常生活中应用力的分解的现象，让学生知道物理与生活是息息相关的，培养学生观察生活现象、发现问题、建立物理模型、用物理模型解决问题、用物理语言解释现象的能力.

对于正交分解的掌握，老师们可以根据各自的情况进行补充，因为正交分解的方法在今后的学习中经常用到，是最常见的一种处理力的方法，可以根据实际情况安排一节习题课，增加学生对力的分解知识的理解.