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所屬欄目：模擬課、微型課及試講
視頻課題：第五屆全國高中物理教師微課講課視頻《力的分解—三角支架懸物拉力的分解》山東省青島
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第五屆全國高中物理教師微課講課視頻《力的分解——三角支架懸物拉力的分解》山東省青島第十七中學高中物理
力的分解之三角支架懸物拉力的分解
山東省青島第十七中學 紀梅清
一、使用教材
人教版高中《物理必修1》第三章第五節(jié)。
二、實驗教學內(nèi)容
力的分解的一個難點問題——三角支架懸物拉力的分解。其問題情境如下：
如圖1所示，輕桿的一端C用鉸鏈與豎直墻壁連接，它的另一端O用繩子連接到墻的B點，使輕桿保持水平，繩與輕桿的夾角為θ．在OA繩上懸掛一個重物，使其產(chǎn)生一個向下的拉力F： （1）拉力F產(chǎn)生哪兩個作用效果？ （2）兩分力大小分別是多少？
三、實驗創(chuàng)新要求/改進要點
教材中沒有實驗，在這卻需要實驗。這是因為三角支架懸物拉力的作用效果不明顯。
如果不能解決這個問題，學生就不算真正掌握了力的分解，如果解決了這個問題，不但對教學有幫助，而且還具有廣泛的現(xiàn)實意義：塔吊、斜拉橋、路燈都有類似的構造。
四、實驗原理/實驗設計思路
斜繩和水平輕桿受力后都會發(fā)生形變，但是不明顯。采用了以下兩種方案解決這一難點問題。
1. 將繩和桿換成容易形變的物體（如橡皮筋、海綿、注射器等），放大力的作用效果。
2.在繩和桿的固定處加裝拉力傳感器和壓力傳感器。并配合使用Arduino板進行程序控制，精確地顯示力的作用效果。
五、實驗器材
創(chuàng)新實驗1和創(chuàng)新實驗2： 海綿、注射器、橡皮繩、木板等。
創(chuàng)新實驗3：Arduino板、拉力傳感器、壓力傳感器、顯示器、細繩、金屬桿、金屬架等。
六、實驗教學目標
（1）知識與技能：了解三角支架懸物拉力的作用效果，深入體會將力按效果分解的方法。
（2）過程與方法：讓學生經(jīng)歷探究三角支架懸物拉力的作用效果的過程。培養(yǎng)學生的開拓創(chuàng)新能力、動手動腦能力、交流合作能力以及科學探究的方法， 培養(yǎng)學生的多種核心素養(yǎng)。
（3）情感、態(tài)度、價值觀：使學生在完成探究任務的過程中，體驗探究的樂趣，增進對物理和現(xiàn)代科技的興趣。
七、實驗教學過程
(一)課前準備：
將要探究的問題，作為一個任務，布置給學生。要求學生以小組為單位合作探究，設計實驗方案。學生通過小組合作和老師的指導，課前共制作了3件比較有意思的產(chǎn)品。
加強實驗方法指導。
制作收藏儀器證書。準備課堂頒發(fā)給學生。
（二）課堂教學過程 ：
①提出探究問題：首先讓學生簡單談一下課前探究的結果，引導他們運用“替代法”和“放大法”的科學的方法，進行理論分析。
②分組實驗：要求每個人利用一根繩、一支筆、一只手，構造一個三角支架，體驗三角支架懸物拉力F的作用效果。
③得出結論：教師引導學生得出結論，并在黑板上畫出力的分解的示意圖，明確兩個分力的大小和方向。
④創(chuàng)新實驗展示：精選了3個小組的創(chuàng)新實驗方案，逐一展示。
⑤對創(chuàng)新實驗進行評價 ：總結問題和亮點。
⑥ 宣布收藏實驗儀器：頒發(fā)收藏證書，鼓勵學生繼續(xù)探究創(chuàng)新。
附：3個創(chuàng)新實驗：
【創(chuàng)新實驗1】：如圖2
1實驗方法：用橡皮筋代替細繩，用海綿代替了橫桿。給豎直繩施加拉力，觀察橡皮繩和海綿的變化。
2實驗現(xiàn)象： 當施加力F時，橡皮繩被拉長，海綿被壓縮。
3實驗結論：力F有沿繩拉繩和沿桿擠壓桿的效果。
【創(chuàng)新實驗2】：如圖3
1實驗方法：用橡皮筋代替細繩，用注射器代替了橫桿。給豎直繩施加拉力，觀察橡皮繩和注射器的變化。
2實驗現(xiàn)象： 當施加力F時，橡皮繩被拉長，注射器向外噴水。
3實驗結論：力F有繩向下拉繩和沿桿向里擠壓桿的效果
【創(chuàng)新實驗3（重點推薦實驗）】：
1實驗原理：（傳感器+ Arduino板+顯示器）
如圖5所示，在繩端安裝了拉力傳感器，它受拉力才有示數(shù)；而在桿的左端安裝了壓力傳感器，它受壓力才有示數(shù)。同時還安裝了Arduino板和顯示器。通過Arduino板的程序設置，將兩個傳感器的受力在顯示器上定量的顯示出來。
2實驗現(xiàn)象和實驗結論：
（1）定性實驗：不給豎直繩加拉力，兩個傳感器的示數(shù)都是零；給豎直繩施加拉力F，兩傳感器均出現(xiàn)讀數(shù)，這就定性地說明力F有繩向下拉繩和沿桿向里擠壓桿的效果。
（2）定量實驗：測量掛上100g的砝碼，即F=0.98N時，兩個分力的情況。
具體做法是先事先量好角度θ、計算出兩個分力的理論值， 然后掛上砝碼，觀察實驗讀數(shù)。并將實驗值與理論值進行對照。會發(fā)現(xiàn)理論值與實驗值高度吻合。證明這套儀器精確度很高。
（3）改變角度實驗：調(diào)節(jié)橫桿上的滑塊，可以改變角度，重復步驟（2），會發(fā)現(xiàn)在不同角度下，實驗值和理論值都高度吻合，既證明了力的分解的正確性，又顯示出儀器的可靠性。
八、實驗創(chuàng)新點
1、本節(jié)課的實驗方案都是師生自主創(chuàng)新設計的，教材上沒有，網(wǎng)上也沒有。
2、創(chuàng)新實驗1和創(chuàng)新實驗2的亮點是采用了“替代法”和“放大法”的設計思想：將斜繩和水平輕桿分別用橡皮筋、海綿和注射器來代替。具有“實驗現(xiàn)象明顯”、“實驗原理簡單”、“實驗器材常見”、“想象力豐富”等優(yōu)點。
3、創(chuàng)新實驗3是我們重點推薦的實驗，它有如下優(yōu)點：
①構思巧妙，技術先進。 使用了“傳感器+ Arduino板+顯示器”做實驗，可以很好的培養(yǎng)學生注意細節(jié)、嚴謹求實的態(tài)度，激發(fā)學生對現(xiàn)代科技的興趣。
②可以方便的改變角度。 巧妙的在水平橫桿上加裝了滑塊和緊固螺絲，從而可以方便的改變角度，很好地培養(yǎng)了學生動手動腦的能力。
③可以進行定量測量。在這之前，幾乎所有的傳統(tǒng)實驗都只是定性的探究拉力F的效果，不能測量兩個分力的大小，這可以說填補了一項空白，實現(xiàn)了“零”的突破。
九、實驗效果評價
1、本節(jié)課的創(chuàng)新實驗，化“抽象”為“形象”，順利突破了教學難點，達成了教學目標。
2、實驗教學過程中用到了多種探究方法， 針對同一個問題設計了多個探究方案，精彩紛呈，嘆為觀止。 很好的培養(yǎng)了學生的發(fā)散思維，開闊了學生的眼界。
3、所有實驗都是師生自主原創(chuàng)。在原創(chuàng)過程中，充分挖掘出了學生的創(chuàng)新、質(zhì)疑、自主、合作、動手動腦能力，讓學生體驗到了探究的成就感，感受了物理和技術的迷人。很好的培養(yǎng)了學生的核心素養(yǎng)。
總體來說，該實驗教學設計理念先進，教學方法多樣。前期充分調(diào)動學生探究的積極性，后期分層次在課堂上進行實驗。既有傳統(tǒng)實驗，也有創(chuàng)新實驗；既有有瑕疵的實驗，又有原理完善的實驗；既有“草根”實驗，又有“高大上”的實驗。很好地激發(fā)了學生的探究創(chuàng)新的熱情。
視頻來源：優(yōu)質(zhì)課網(wǎng) www.jjlqy.cn
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