共点力平衡问题中学生科学思维能力的培养

1、共点力平衡问题中学生科学思维能力的培养摘要：以滑块与斜面体模型为例，通过对摩擦力与弹力的关系分析，培养学生定量计算与定性分析能力。运用不同求解方法进行比照，让学生体验到科学思维方法在物理学中的重要性。关键词：滑块与斜面模型；摩擦角；消元法目前，学生思维能力的培养越来越得到重视，【1】培养学生的思维品质是开展其智能的突破口。科学思维是物理学中重要的能力与品质，通过高中阶段的学习，学生应能对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系到达正确认识，能通过分析综合、推理论证等科学思维方法对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解。另外，学会从定性和定量两个方面进行科学推理、找出规律、形成结论，解决

2、实际问题。一、力学习题教学中学生面临的问题现状分析共点力平衡问题是学生学的一大难点，从受力分析到定量计算，涉及的知识点较多，如三角函数、几何知识等。对于力学题求解，大多数学生解法单一，一旦遇到复杂的数学运算，就无从下手，思维能力较弱。如果我们在教学中能够多激发学生的科学思维，帮助学生对一些问题的特点进行归类，并对各类问题所采用的方法进行总结，从而激发学生的科学思维及学习动力。二、滑块与斜面体模型中两种解题方法比照与反思情景一：质量为M的木楔倾角为=30°，在水平面上保持静止，当将一质量为m的木块放在木楔斜面上时，它正好匀速下滑。现对木块施加一个拉力F图中未画出，使木块匀速上升，那么该

3、拉力的最小值为A.12GB.33GGC.32GD.G此题学生很容易错选D选项，理由是：没有施加拉力时木块受到沿斜面向上的滑动摩擦力f，根据木块平衡条件，f=mgsin；当施加一个拉力F后木块匀速上升，易知滑动摩擦力f沿斜面向下，根据木块平衡条件，F=mgsin+f=2mgsin=mg，应选D。这是大多数学生对斜面模型形成思维定势的结果。此时教师不妨提以下几个问题：教师：拉力F会影响摩擦力的大小吗？学生：可能会。教师：何种情况下会影响，如何影响？学生：滑动摩擦力的大小只与动摩擦因素及正压力Fn有关，与拉力F无直接关系。但是，当F不沿斜面时，F会改变正压力Fn的大小，从而间接改变滑动摩擦力的大小。

4、通过提问，学生发现拉力会间接影响滑动摩擦力的大小，故求F的最小值必须分析拉力的方向。方法一正交分解法：物体恰好能沿斜面下滑，因此mgsin=mgcos，故=tan=33这是一个非常重要的推论，【2】临界角又称摩擦角，只与动摩擦因素有关，有必要让学生熟记，设拉力与斜面夹角为时最小受力分析如图。将拉力沿斜面和垂直斜面正交分解，由平衡得：Fcos=Gsin+FfFN+Fsin=GcosFf=FN联立得。F=Gsin+Gcoscos+sin令tan=1得F=GsinGcos1+2sin+，即最小值Fmin=Gsin+Gcos1+2=32G，C项正确。反思：这种解题方法结果唯一，思路清晰，但学生的数学分

5、析及计算能力要求较高，因而绝大多数同学无从下手，望而生畏，那么有没有更简单直观的方法呢？方法二消元法滑动摩擦力与弹力的关系：根据f=FN，易知无论弹力如何改变，滑动摩擦力与弹力的合力F的方向始终保持不变。如图，设合力F与弹力方向的夹角为，那么tan=fFn=u，因此，我们可采用“消元法的思维，将两个未知量合成一个未知量，从而将复杂的四力平衡问题变成简单的三力平衡问题。学生对于三力动态平衡问题比较熟悉，知道采用动态三角形求解力的最小值。此题通过消元后，避开了滑动摩擦力与弹力对计算带来的影响，转变成三力平衡问题中：一个力恒定，另一个力方向保持不变，求第三个力的最小值问题。根据题意，物体恰好能沿斜面

6、匀速下滑，因此有：mgsin=mgcos，=tan；另当物体匀速向上运动时，受力分析如上图所示，滑动摩擦力与弹力的合力F方向与弹力的夹角恒为30°，与竖直方向的夹角恒为60°，因此物体受到的力等效为G、F及F三个力，且三个力的合力为零，因此这三个力构成首尾相接的封闭三角形。由图易知，当F与F垂直时，F最小，最小值為Fmin？Gsin600，故C项正确。可见，在教学中，通过比照不同的解题思路，让学生的思维得到拓展，尤其是综合分析与建模能力得到提高。为了让学生有更深刻的体会，让我们再来思考下一种情景。情景2：斜面体置于水平地面上，现对小物块施加一个外力F，使小物块沿斜面下滑，斜

7、面体始终处于静止状态，求地面对斜面体的摩擦力方向。方法一：解析，我们以斜面体为研究对象，根据牛顿第三定律，受力分析如以下图。先计算未考虑斜地面对面体摩擦力时，X轴上的合外力。Fx=FNsin-fcos=FNsin-cos易知：1、如果sin-cos>0，即0，那么地面对斜面体摩擦力水平向左。2、如果sin-cos=0，即=tan，Fx=0，那么地面对斜面体没有摩擦力。3、如果sin-costan，Fx方法二：解析，如右图，先合成滑块受到的支持力与滑动摩擦力，易知tan=fFn=u，讨论与tan的关系：1、如果2、如果=tan，即=，根据牛顿第三定律，滑块对斜面体的合力竖直向下，那么斜面体

8、不受地面摩擦力的作用。3、如果>tan，即>，根据牛顿第三定律，滑块对斜面体的合力左偏下，那么斜面体受到地面的摩擦力水平向右。反思及总结：此情景要求我们分析斜面体受到地面的静摩擦力方向，比照这两种方法我们发现，如果只是定性分析斜面体受到地面的静摩擦力的方向时，对于提高解题速度，后者更有优势，只需简单作图即可；而如果要定量计算静摩擦力的大小，那么需采用第一种方法。结束语：课堂教学中，我们通过激发学生的思维，能更好地调动学生参与课堂互动，这是是我们物理教学过程中必须重视的环节。在物理习题教学中，我们要将数学思维与物理科学思维相结合，这对于物理的学习很有帮助。要让学生形成这种思维意识，这就要求教师在教学过程中重视启发教学，积极调动学生参与课堂互动，培养学生的敢于质疑、敢于批判的精神，从而提高学生的创新意识。习题教学是培养学生科学思维能力一个至关重要