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专题讲座

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高中物理“相互作用与运动规律”教学研究

焦京桂（北方交通大学附属中学，中学高级）

 第一部分对该主题内容的理解

一、课标要求

本主题的课标要求是：

内容标准与活动建议——内容标准：

1．通过实验认识滑动摩擦、静摩擦的规律。

能用动摩擦因数计算摩擦力。

2．知道常见的形变，通过实验了解物体的弹性，知道胡克定律。

3．通过实验理解力的合成与分解，区分矢量与标量，用力的合成与分解分析日常生活问题。

4．通过实验，探究加速度与物体质量、物体受力情况的关系。

理解牛顿运动定律，用牛顿运动定律解释生活中的有关问题。

通过实验认识超重和失重现象。

5．认识单位制在物理学中的重要意义。

知道国际单位制中的力学单位。

内容标准与活动建议——活动建议：

（1）调查日常生活中利用静摩擦的实例。

（2）通过各种活动，例如乘坐电梯、到游乐场乘坐过山车等，了解和体验失重与超重。

（3）根据牛顿第二定律，设计一种能显示加速度大小的装置。

（4）通过听讲座、看录像等活动，了解宇航员的生活，了解人造地球卫星上进行微重力条件下的实验，尝试设计一种在人造卫星或宇宙飞船上进行微重力条件下实验方案。

二、本主题知识的地位及相互关系

三、本主题内容在整个高中物理学科能力方面的地位价值

本章讲述的是有关“力”的基础知识，是静力学和动力学所必需的预备知识。

学生要在理解重力、弹力、摩擦力特点的基础上，会进行简单的受力分析。

学生在进行受力分析的同时，严谨的思维习惯也得到了培养，这对学生今后物理学习打下坚实的基础。

学生还要在理解力的合成与分解的同时，学会用数学矢量加减的运算法则，从作图和计算两个角度处理物理问题。

高一学生通过学习前面的知识，知道了物体速度变化的快慢用加速度来描述，但教学中一直都没有谈到加速度是怎样产生的；物体的运动状态的变化的实质是什么；本章就揭示了物体运动状态变化的原因。

探究力与物体运动的关系的本质是经典力学的基础，学好本章的知识，对于学好其余的力学知识以及整个物理学都有至关重要的意义。

四、从三个维度认识教学内容

知识与技能：

1．通过实验认识滑动摩擦、静摩擦的规律，能用动摩擦因数计算摩擦力。

2．知道常见的形变，通过实验了解物体的弹性，知道胡克定律。

3．通过实验，理解力的合成与分解，知道共点力的平衡条件，区分矢量与标量，用力的合成与分解分析日常生活中的问题。

4．通过实验，探究加速度与物体质量、物体受力的关系。

理解牛顿运动定律，用牛顿运动定律解释生活中的有关问题。

通过实验认识超重和失重现象。

5．认识单位制在物理学中的重要意义。

知道国际单位制中的力学单位。

过程与方法

1．体会科学研究方法对人们认识自然的重要作用。

举例说明物理学的进展对于自然科学的促进作用。

2．通过对力的概念和牛顿三个定律的学习，了解物理学的研究方法，实验对力和运动的关系的作用，理解利用数学工具解决物理问题的作用。

3．培养学生观察实验、利用实验探索物理规律的能力。

分析解决问题的能力和交流、合作的能力。

情感态度价值观：

1．对自然与科技的关注。

对于自然现象和科学技术方面的问题是否具有好奇心和亲近感。

2．应用物理知识探究科学问题的热情。

乐于探索自然现象和技术问题中的物理原理。

3．科学态度与精神。

在科学问题上乐于独立思考。

愿意改变与科学事实不一致的观念。

能坚持科学真理、勇于创新、实事求是。

4．合作精神。

在科学实践活动中能主动与他人合作。

敢于提出与人不同的见解。

有将自己的见解与他人交流的愿望。

5．对待困难的态度。

在物理学习与科学实践中遇到困难时，积极找出原因，寻求其他解决方法。

五、本主题的重点与难点

1．教学重点：

惯性、力的概念、三种力产生的条件、力的运算方法、牛顿第二定律的理解、掌握牛顿第二定律的基本应用，探究加速度与力和质量的关系、基本物理量和基本单位的理解、理解牛顿第三定律的确切含义，能用它解决相关的问题。

动力学两类基本问题求解基本思路和基本步骤、解决共点力平衡问题的基本思路与方法。

2．教学难点：

三种力的区别、力的运算方法、惯性与牛顿第一定律和第二定律的关系的理解、对加速度与力和质量的关系、分析具体问题的情景对研究对象列牛顿第二定律方程。

第二部分本主题的教学策略

相互作用

具体教学建议

一、力的概念

充分发挥学生初中已有的基础，以问题引入。

1．定义：

物体与物体之间的相互作用。

2．力的性质

（1）物质性：

力不能离开物体而独立存在

（2）相互性：

施力物体同时也是受力物体

（3）矢量性：

力的三要素：

大小、方向、作用点

（4）瞬时性

3．力的作用效果：

改变物体的运动状态、使物体发生形变。

4．力的测量

5．力的表示方法：

力的图示：

精确地表示一个力：

用一条有向线段表示：

标度、长短、方向、作用点。

力的示意图：

粗略地表示一个力。

特别关注：

以重力的学习为样板，帮助学生建立学习新的力的常用学习方法：

该力的定义；该力的产生条件；

该力的大小表示（测量）；该力的方向；

该力的作用点；该力的其它特点

仍注意发挥学生初中已有的基础，以问题引入。

6．重力

7．四种相互作用

通过学生阅读课文和查阅资料，了解自然界四种基本相互作用的最基础知识。

可以给出阅读提纲或让学生讲解。

名称

特点

作用范围

万有引力

一切物体之间存在的引力。

一切物体之间

电磁相互作用

电荷之间、磁体之间的相互作用，本质上是同一种相互作用的不同表现。

电荷、磁体间

强相互作用

使得原子核紧密地保持在一起，这种作用称做强相互作用。

小于10-15m内

弱相互作用

有些原子核能够自发地放出射线，这种现象称为放射现象。

在放射现象中起作用的基本相互作用称为弱相互作用。

不超过10-16m

二、弹力

强调：

接触力的分类

接触力：

在物体与物体接触时发生的相互作用。

按性质分：

弹力和摩擦力

接触力的实质：

由电磁力引起。

（一）弹力

观察图片或演示，归纳总结形变和弹力产生条件。

1．形变分类：

弹性形变（弹簧、皮筋）；范性形变（橡皮泥）。

2．微小形变的观察方法：

小量放大。

（墨水瓶；激光笔、讲台、有机玻璃）

3．弹力

（1）定义：

（2）弹力产生的条件：

直接接触、发生弹性形变

（3）弹力的方向：

压力或支持力的方向：

总是垂直于支持面而指向被挤压或被支持的物体。

绳子对物体拉力的方向：

总是沿着绳子而指向绳子要收缩的方向。

弹簧对物体弹力的方向：

总是指向弹簧恢复原长的方向。

（4）弹力大小

4．做好《弹簧弹力和弹簧伸长量关系》的探究实验，得出胡克定律。

（二）胡克定律

1．内容：

2．表达式：

F=-kx

3．弹簧劲度系数：

k

4．建立理想模型：

轻质绳、轻质弹簧

如图所示，讨论轻质弹簧的两端的受

力及形变情况。

（1）手用力F拉弹簧的自由端，它的固

定端的受力情况及伸长情况。

（2）双手用同样大小的力F朝相反方向拉弹簧的两端，弹簧两端受力情况和伸长量。

（3）上述情况下，弹簧所受合力是否为零。

结论：

在静止条件下，轻质弹簧的两端受力大小相等，方向相反，合力为零。

弹簧的形变量由弹簧一端受力决定，并符合胡克定律。

三、摩擦力

做好关于静摩擦力的两个演示实验，通过对实

验的分析，并利用初中二力平衡知识，归纳总结

静摩擦力的规律。

注意：

初中对静摩擦力不作要求。

教学中起点不要太高。

（一）静摩擦力

1．定义：

两个物体之间只有相对运动的趋势，而没有相对运动，这时的摩擦力叫静摩擦力。

2．产生的条件：

接触面粗糙、相互接触、相互挤压、有相对运动趋势。

相对运动趋势：

接触的物体A（研究对象）对物体B（参照系）的运动趋势。

（毛刷）

3．静摩擦力的方向：

总是沿着接触面，并与物体间的相对运动趋势方向相反。

4．静摩擦力的大小：

（1）两个物体间的静摩擦力是一个变力，它的大小可以在0与Fmax之间，即 0＜F≤Fmax。

（2）依据二力平衡，其大小随外力变化而变化。

（3）当物体刚刚开始滑动时，静摩擦力达到最大，称为最大静摩擦力Fm。

例题：

落实静摩擦力的分析方法，体会静摩擦力可以是动力，运动物体也可受静摩擦力。

1．物体A相对于接触物体处于静止状态，判断下列情况下物体A是否受静摩擦力，及大小和方向。

（已知F1=10N，F2=12N，物体A重G=20N）

例题：

落实静摩擦力的分析方法，学习处理连接体

问题的方法。

（依据学生情况）

2．如图所示，水平桌面上叠放的A、B两个书。

讨论书A、B受到的静摩擦力情况。

（1）用水平向右的，大小为2N的力拉A，书AB均静止。

（2）用水平向左的，大小为3N的力拉B，书AB均静止。

（3）用水平向左的，大小为8N的力拉B，书AB一起向左匀速运动。

（二）滑动摩擦力

1．定义：

2．产生条件：

粗糙，接触，相互挤压，有相对运动；

3．方向：

沿着接触面，与相对运动方向相反。

4．大小：

F=μFN

四、力的合成教学建议

用弹簧或橡皮筋做实验，首先由两力同方向与一个力产生同样效果为例，提出力的合成的问题。

为解决问题，进行探究性实验：

探究力的合成遵从平行四边形定则。

（一）力的合成

1．若力F单独作用和力F1、F2共同作用所产生的效果相同，力F就叫做力F1和F2的合力。

F1和F2为F的分力。

注意：

合力、分力不同时存在。

2．已知分力求合力的过程叫做力的合成。

3．力的合成遵循的规律：

（1）平行四边形定则：

互成角度两个力的合力就是以这两个力为邻边的平行四边形的对角线。

（2）注意：

矢量运算的普遍适用的法则。

平行四边形定则只适用于共点力的情况下。

（二）共点力

1．定义：

物体受力共同作用在同一点上，或虽不作用在同一点上，但它们的延长线交于一点。

2．二力合力的特点：

（1）当分力大小一定时，分力之间的夹角变小合力变大，夹角变大合力变小。

（2）当合力一定时，分力的夹角越大，分力越大。

（3）合力取值范围：

|F2-F1|≤F合≤|F1+F2|

（4）互成直角的两力合力：

3．多个力合成原则：

先把任意两个力合成，求得合力后，在与第三个力合成，依次进行，最终求得全部共点力的合力。

五、力的分解教学

（一）力的分解

1．分力：

若力F1、F2共同作用和力F单独作用所产生的效果相同，F1和F2就为F的分力。

2．已知合力求分力的过程叫做力的分解。

3．分解法则：

仍遵循平行四边形定则。

（二）力的正交分解

在许多情况下，根据力的实际作用效果。

我们可以把一个力分解为两个相互垂直的分力，这种分解方法叫做力的正交分解。

（三）关于力的分解的几点说明

1．一个力若没有条件限制，可以分解为无数对分力。

2．已知合力及两分力的方向时，有唯一解。

3．已知合力及一分力的大小及方向时，有唯一解。

4．已知合力及一分力的大小和另一分力的方向时，（唯一解、两解、无解）。

（四）矢量相加的法则

1．矢量、标量的定义：

2．三角形定则

3．所有矢量都遵循平行四边形和三角形定则。

例题：

已知物体重力为10N，求三根绳上的拉力为多少？

运动定律

一、对牛顿运动定律的理解和认识

问题：

有人说，牛顿第一定律是牛顿第二定律的特例，你同意这种说法吗？

为什么？

我的回答：

如果从应用牛顿运动定律解决实际问题，或说从解答物理习题的角度说，牛顿第一定律就是牛顿第二定律的特例；但从理论或从历史地位来说，牛顿第一定律不能说是牛顿第二定律的特例。

人教社物理必修1课本P85§7用牛顿运动定律解决问题

（二）第一个小标题：

共点力的平衡条件。

受共点力作用的物体，在什么条件下才能保持平衡呢？

牛顿第二定律告诉我们，当物体所受合力为0时，加速度为0，物体保持静止或匀速直线运动状态。

这段话说明作者就是把牛顿第一定律看作牛顿第二定律的特例对待的。

牛顿第一定律是牛顿力学的基石：

1．定性地定义了力的概念。

2．指出物体有惯性。

3．定义了惯性参考系。

牛顿力学的高明之处在于将物体间复杂多样的相互作用都抽象为力。

问题：

有人问，牛顿第一定律本是伽里略总结出来的，为什么不称为伽里略定律而称为牛顿第一定律呢？

因为在牛顿之前，没有科学的力的概念。

伽里略通过理想实验后得出的结论是：

如果没有其他作用，物体将……

老的人教社课本有这样一段话：

人们对力的认识，最初是从日常生活和生产劳动中得到的，是和人力相联系的。

亚里士多德的遗憾是由于当时自然环境下人们的认知水平导致的，他认为力是由肌肉的收缩拉伸产生的，因此没有认识到摩擦力的作用。

我们现在所说的力的概念，主要是三个方面：

1．力是物体间的相互作用。

2．力是改变物体运动状态的原因。

3．力是使物体产生加速度的原因。

牛顿第三定律明确了力是物体间的相互作用。

牛顿第一定律定性地定义了力，力是改变物体运动状态的原因。

牛顿第二定律则定量地定义了力。

力的国际单位制单位也是根据牛顿第二定律定义的。

二、关于牛顿运动定律的教学

牛顿第一定律的教学

1．学情分析：

在初中阶段，学生对牛顿第一定律已有大致的了解。

知道亚里士多德的观点是错误的，也知道伽利略通过研究澄清了运动和力的关系。

但是，在研究实际问题时，他们还常常下意识地用亚里士多德的观点去分析。

学生对“力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动的原因”这句话记忆深刻。

但在分析具体的力与运动关系的问题时，仍然会犯错误。

2．教学目标的确定

这节课是进行有关过程与方法、态度情感价值观方面教育的良好素材与机会。

例如，科学方法的教育：

实验与思辨（理想实验）概括与归纳；科学精神的教育：

对权威敢于质疑、对真理敢于坚持、对个人正确认识。

3．重点、难点的确定

重点：

对牛顿第一定律本身的理解

（1）力是改变运动状态的原因

（2）任何物体都有惯性

*（3）惯性参考系

难点：

对“力是改变运动状态”这句话的理解；亚里士多德与牛顿对运动和力关系认识的分歧。