3-5-共點(diǎn)力平衡-人教版(2019)高中物理必修第一冊(cè)教案

第三章第五節(jié)共點(diǎn)力的平衡【教學(xué)目標(biāo)】1.知道什么是共點(diǎn)力2.理解共點(diǎn)力的平衡的條件3.正交分解法的應(yīng)用【核心素養(yǎng)發(fā)展】核心知識(shí)1.理解共點(diǎn)力的平衡的條件2.正交分解法的應(yīng)用核心能力1.用共點(diǎn)力的平衡條件解決實(shí)際問題2.用正交分解法解決問題3.通過鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手、大膽質(zhì)疑、勇于探索，可提高學(xué)生自信心并養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣．科學(xué)品質(zhì)1．經(jīng)歷觀察、實(shí)驗(yàn)、探究等學(xué)習(xí)活動(dòng)，培養(yǎng)尊重客觀事實(shí)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度．2．通過研究性學(xué)習(xí)，獲得成功的喜悅，培養(yǎng)學(xué)好物理的信心．【教學(xué)重點(diǎn)】1.理解共點(diǎn)力的平衡的條件2.正交分解法【教學(xué)難點(diǎn)】1.理解共點(diǎn)力的平衡的條件2.正交分解法【教學(xué)方法】教師啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生思考，討論、交流學(xué)習(xí)成果。探究法、討論法、實(shí)驗(yàn)法。（一）新課導(dǎo)入初中我們學(xué)過二力平衡，同時(shí)也學(xué)過同一直線上的多力平衡，上節(jié)我們學(xué)習(xí)了力的合成和力的分解，下面我們用平行四邊形定則來解決不在一條直線上的多個(gè)力的平衡問題。（二）新課內(nèi)容一、共點(diǎn)力(1)共點(diǎn)力：如果一個(gè)物體受到兩個(gè)或更多力的作用，這些力共同作用在物體的同一點(diǎn)上或者雖不作用在同一點(diǎn)上，但它們的延長(zhǎng)線交于一點(diǎn)，這樣的一組力叫做共點(diǎn)力。(2)力的合成的平行四邊形定則只適用于共點(diǎn)力。共點(diǎn)力的幾種情況(1)幾個(gè)力同時(shí)作用于同一點(diǎn)(即力的作用點(diǎn)重合)，如圖3－4－2甲所示。圖3－4－2(2)同時(shí)作用在同一物體上的幾個(gè)力，雖然作用點(diǎn)并不重合，但是這幾個(gè)力的作用線的正向或反向延長(zhǎng)線能夠相交于同一點(diǎn)，如圖乙所示。(3)當(dāng)一個(gè)物體可以被視為質(zhì)點(diǎn)(即它的形狀、大小對(duì)所研究的問題沒有影響)時(shí)，作用在物體上的幾個(gè)力就可以認(rèn)為是共點(diǎn)力，如圖丙所示。二、共點(diǎn)力的平衡條件1．平衡狀態(tài)物體在力的作用下保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。2．平衡條件在共點(diǎn)力作用下，物體的平衡條件是合力為0。3．對(duì)平衡狀態(tài)的理解(1)兩種平衡狀態(tài)：共點(diǎn)力作用下的平衡狀態(tài)包括靜止?fàn)顟B(tài)和勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。(2)“靜止”和“v＝0”的區(qū)別與聯(lián)系v＝0eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(a＝0時(shí)，是靜止，是平衡狀態(tài),a≠0時(shí)，不是平衡狀態(tài)))總之，平衡狀態(tài)是指a＝0的狀態(tài)。例1：在科學(xué)研究中，可以用風(fēng)力儀直接測(cè)量風(fēng)力的大小，其原理如圖所示。儀器中一根輕質(zhì)金屬絲，懸掛著一個(gè)金屬球。無風(fēng)時(shí)，金屬絲豎直下垂；當(dāng)受到沿水平方向吹來的風(fēng)時(shí)，金屬絲偏離豎直方向一個(gè)角度。風(fēng)力越大，偏角越大。通過傳感器，就可以根據(jù)偏角的大小指示出風(fēng)力。那么，風(fēng)力大小F跟金屬球的質(zhì)量m、偏角θ之間有什么樣的關(guān)系呢？[思路點(diǎn)撥]金屬球處于三力平衡狀態(tài)，可以應(yīng)用分解法、合成法或正交分解法求解。解析：取金屬球?yàn)檠芯繉?duì)象，有風(fēng)時(shí)，它受到3個(gè)力的作用：重力mg、水平方向的風(fēng)力F和金屬絲的拉力FT，如圖所示。這3個(gè)力是共點(diǎn)力，在這三個(gè)共點(diǎn)力的作用下金屬球處于平衡狀態(tài)，則這3個(gè)力的合力為零。根據(jù)任意兩力的合力與第3個(gè)力等大反向求解，可以根據(jù)力的三角形定則求解，也可以用正交分解法求解。法一：(力的合成法)如圖甲所示，風(fēng)力F和拉力FT的合力與重力等大反向，由平行四邊形定則可得F＝mgtanθ。法二：(力的分解法)重力有兩個(gè)作用效果：使金屬球抵抗風(fēng)的吹力和使金屬絲拉緊，所以可以將重力沿水平方向和金屬絲的方向進(jìn)行分解，如圖乙所示，由幾何關(guān)系可得F＝F′＝mgtanθ。答案：F＝mgtanθ三、正交分解法求合力1.概念把力沿著兩個(gè)選定的互相垂直的方向分解的方法，叫做力的正交分解法。2．選取坐標(biāo)系的原則一般情況下，坐標(biāo)系的選取是任意的，為使問題簡(jiǎn)化，坐標(biāo)系的選取一般有兩個(gè)原則：(1)使盡量多的力處在坐標(biāo)軸上。(2)盡量使待求力處在坐標(biāo)軸上。3．正交分解法求合力的步驟(1)建立坐標(biāo)系：以共點(diǎn)力的作用點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，其中x軸和y軸的選擇應(yīng)使盡量多的力處在坐標(biāo)軸上。(2)正交分解各力：將每一個(gè)不在坐標(biāo)軸上的力分解到x軸和y軸上，并求出各分力的大小，如圖1所示。圖1(3)分別求出x軸、y軸上各分力的合力，即Fx＝F1x＋F2x＋F3x；Fy＝F1y＋F2y＋F3y。(4)求共點(diǎn)力的合力：合力大小F＝eq\r(F\o\al(2,x)＋F\o\al(2,y))，設(shè)合力的方向與x軸的夾角為α，則tanα＝eq\f(Fy,Fx)。4．對(duì)共點(diǎn)力作用下平衡條件的理解(1)共點(diǎn)力作用下物體的平衡條件兩種表達(dá)式①F合＝0②正交表示法eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(F合x＝0,F合y＝0))，其中F合x和F合y分別是將力進(jìn)行正交分解后，物體在x軸和y軸上所受的合力。(2)由平衡條件得出的結(jié)論①物體受兩個(gè)力作用平衡時(shí)，這兩力必大小相等，方向相反，作用在同一直線上。②物體受三個(gè)力作用平衡時(shí)，其中任意兩力的合力必與第三個(gè)力等大反向。③物體受三個(gè)以上的力作用平衡時(shí)，其中任意一個(gè)力與其余幾個(gè)力的合力等大反向。四、求解共點(diǎn)力平衡問題的一般步驟(1)選取研究對(duì)象；(2)對(duì)所選取的研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，并畫出受力示意圖；(3)對(duì)研究對(duì)象所受的力進(jìn)行處理，采用合成法(或分解法)、或者正交分解法，建立合適的直角坐標(biāo)系，對(duì)各個(gè)力進(jìn)行正交分解；(4)由平衡條件列方程，F(xiàn)x合＝0，F(xiàn)y合＝0；(5)應(yīng)用解三角形的方法或利用方程組求解，必要時(shí)需對(duì)解進(jìn)行討論。五、正交分解法解力的平衡問題物體受到三個(gè)或三個(gè)以上力的作用處于平衡狀態(tài)時(shí)，常用正交分解法列平衡方程求解：Fx合＝0，F(xiàn)y合＝0。為方便計(jì)算，建立坐標(biāo)系時(shí)以使盡可能多的力落在坐標(biāo)軸上為原則。例2：如圖2所示，用與水平成θ角的推力F作用在物塊上，隨著θ逐漸減小直到水平的過程中，物塊始終沿水平面做勻速直線運(yùn)動(dòng)。關(guān)于物塊受到的外力，下列判斷正確的是()圖2A．推力F先增大后減小B．推力F一直減小C．物塊受到的摩擦力先減小后增大D．物塊受到的摩擦力一直不變[解析]對(duì)物體受力分析，建立如圖3所示