探究杠杆的平衡条件

1．目标
知识与技能
⑴知道二力平衡的条件。知道二力平衡时物体的运动状态。
⑵了解物体在非平衡力作用下运动状态是变化的。
过程与方法
⑶通过实验探究，学生自己得出二力平衡的条件。
⑷通过实验、观察、讨论等学习活动，感性认识物体受非平衡力作用时运动状的改变。
情感态度与价值观
⑸在逐步深入探究运动和力的关系的过程，激发学生的好奇心和求知欲，培养学生的探索精神。
2．教材说明
本节主要内容有：二力平衡及其条件，物体受平衡力作用时的运动状态，物体在非平衡力作用下怎样运动。这些内容是运动和力关系的深化。
本节教材的编写思路是：本节教材紧接上一节的思路，步步设疑，层层递进，深入探究运动和力的关系，最后认识到物体在平衡力和非平衡作用下分别怎样运动。上一节已经知道：物体不受力的作用时，总保持原来的运动状态不变。教材图9-36展示的情景表明，物体受到两个力的作用时，也保持原来的运动状态不变。这是为什么呢？原来物体受到的两个力的作用效果相互抵消，从而引入二力平衡的概念。但是生活中也有很多二力不平衡的现象，学生不禁要问：两个力作用在物体上，什么情况下这两个力才能相互平衡？“活动1”正好满足了学生的好奇心，让学生利用小车和砝码进行实验，探究二力平衡的条件。知道了物体不受力和受平衡力时的运动状态，自然又会想到：物体受到非平衡力作用时，又将怎样运动？为此教材安排了“活动3”，探究物体受非平衡力作用时的运动状态。学生通过活动3感性地认识到：在非平衡力的作用下，物体运动的速度或者方向会发生改变，即：物体受非平衡力作用时“运动状态”是变化的。
本节重点：二力平衡的条件，物体受非平衡力作用时运动状态是变化的。
本节教学难点：物体“运动状态”的改变是指速度的大小或运动方向发生改变，这一点学生不容易理解，是本节教学的难点。对此要结合实验现象和生活事例，让学生慢慢感悟。
3．教学建议
本节课要营造探究的气氛，通过不断发问，引导学生思考，并展开研究，逐步深入认识运动和力的关系。
什么是二力平衡
可以结合牛顿第一定律引入：通过上节课的学习我们知道，物体在不受外力作用的时候，总保持匀速直线运动状态或静止状态；那么能不能反过来说，凡是保持静止状态或做匀速直线运动的物体，都没有受到外力的作用？
让学生观察教材图9-36所示的情景，分析下列物体是否受到力的作用？若受力，请画出其受力的示意图：
⑴停在树枝上的小鸟；
⑵被托起在空中静止不动的杂技演员；
⑶在空中匀速下降的跳伞运动员。
学生画图后，很自然引出一个新的问题：为什么物体受到两个力的作用，其运动状态跟不受力时一样，即保持匀速直线运动状态或静止状态？
教师介绍：这是由于物体受到的两个力的作用效果相互抵消的缘故。一个物体在两个力的作用下，如果保持静止状态或匀速直线运动状态，我们就说这两个力互相平衡或二力平衡。
可结合教材图9-36，让学生理解二力平衡的概念。在图(a)中，小鸟受到的重力和支持力平衡，小鸟保持静止状态；在图(b)中，上方的杂技演员受到的重力和支持力平衡，演员静止不动；在(c)图中，跳伞运动员受到的重力和阻力平衡，运动员做匀速直线运动。
二力平衡的条件
在上面的例子中，物体受到的两个力都是互相平衡的。那么是不是物体受到两个力的作用，一定就会平衡呢？可以做一个演示实验：如图图1所示，找一个大一些的钩码，挂在橡皮筋下，橡皮筋的上端固定，用力向下拉钩码，使橡皮筋继续伸长，问学生：“若放开手，钩码将受几个力？它还能保持静止状态吗？”放手后，学生观察到钩码由静止变为向上运动。
通过演示实验引出问题：物体受到两个力的作用，有时候二力平衡，有时候两个力不平衡，那么两个力满足什么条件才能互相平衡？由此引入“二力平衡的条件”。
可以先让学生猜一猜。
然后让学生完成“活动1”中的实验。也可以让学生结合自己的猜想尝试设计实验，然后按教材进行实验。实验前要让学生明确操作的主要步骤，实验时提醒学生注意及时记录观察结果。
用下列物品自制学具进行实验，效果也很好：在装有支架的木板上固定两个定滑轮（或者钉两个铁钉，在钉子上套上细管），取方形的硬纸板一张，在上面钻两个对称的小孔，两小孔之间画一条虚线，再取几个相同的钩码，两段细线，按图2装配好，即可进行实验。该装置不仅可以研究二力平衡时，必须大小相等、方向相反、作用在同一直线上，还能研究二力必须作用在同一个物体上：当实验进行到最后时，用剪刀将硬纸板从中间剪断，结果硬纸板的两个部分都不能平衡，如图(d)所示。

(a) (b) (c) (d)
图2
通过对实验结果的分析，容易得出二力平衡的条件：作用在同一个物体上的两个力，必须大小相等、方向相反、并且作用在同一直线上。
为方便学生记忆，可以把二力平衡的条件概括为八个字：“同物、等大、反向、共线”。
“活动2”目的是让学生运用二力平衡的知识分析具体问题，从而加深对二力平衡条件的理解。
在教材图2(a)图中，两个力没有作用在同一个物体上，不是一对平衡力；在(b)图中，两个力不符合“方向相反”“作用在同一直线上”这两个条件，不是平衡力；在(c)图中，F1和F2完全符合二力平衡的条件，是一对平衡力；在(d)图中，两个力不在同一直线上，不是平衡力；在(e)图中，两个力的大小不相等，不是平衡力。所以只有(c)图中的物体能处于静止状态。
学完二力平衡的条件，可以将二力平衡的有关知识与牛顿第一定律对比，并对二力平衡作一个简要的小结：从理论上讲，物体保持静止状态或匀速直线运动状态的条件是：不受力或受平衡力。但是在现实生活中，不受任何外力的物体是不存在的，所以我们实际见到的保持静止或匀速直线运动状态的物体，都是由于受到平衡力的作用。在物体只受两个力作用的情况下，我们可以进行如下推理或判断：
物体静止或做匀速直线运动 二力平衡 符合二力平衡条件
即根据二力平衡的知识，已知物体的运动状态，可以分析确定二力的大小、方向关系；已知物体的受力情况，又可以判断出物体的运动状态。
可列举一些实例让学生分析。如：空中飘落的雪花，如果它受到的重力和阻力相等，此时雪花怎样运动？在平直的公路上行驶的汽车要保持匀速，发动机的牵引力和阻力应满足什么关系？怎样用弹簧测力计测量物体受到的重力？为什么此时测力计的示数等于物体受到的重力？在“探究滑动摩擦力的大小跟哪些因素有关”的实验中，为什么要水平拉动弹簧测力计，并使木块做匀速直线运动？
非平衡力和物体运动状态的变化
关于物体受非平衡力时的运动状态，学生在活动1的实验中已有所感受，但由于该实验中物体运动状态改变较快，学生对物体运动状态变化的过程，缺乏直观的认识，为此教材安排了“活动3”。
活动3共有三个实验，最好先让学生观察教材中的示意图，明确各物体受到哪些力？是否为平衡力？然后进行实验。
实验时要注意以下问题：
第一个实验：在保证小车做加速运动的前提下，小车的质量要大一些，钩码的质量小一些，这样小车加速缓慢，便于观察；
第二个实验：斜面不要做得太高，以能观察到小球在水平面上做减速运动，最后停下为宜；
第三个实验：可用橡皮代替小球，既安全又方便，提醒学生从侧面水平观察，学生实验后，教师可用喷出的水流来演示斜抛物体运动的路径。
学生分组实验后，汇报交流，让学生列举观察到的现象，如小车由静变动，速度越来越大等，教师把学生列举的现象板书在黑板上，然后结合板书用大括号总结：物体由静变动，由动变静，由慢变快，由快变慢，都是速度的大小发生了变化；物体做曲线运动时，运动方向发生变化；当物体运动速度发生变化，或运动方向发生变化时，不再保持原来的运动状态，统称为“运动状态改变”。可见，物体受非平衡力作用时，运动状态是变化的（在学生搞清了有关名词后，该结论也可以启发学生自己总结得出）。这一结论进一步说明：力是改变物体运动状态的原因，不是维持物体运动状态的原因。
得出结论后，可以让学生列举或解释生活中非平衡力改变物体运动状态的事例。如：骑自行车时，为什么起动时很费劲，而已经骑快的自行车却不需要很大的力量去维持？当客车突然左转弯时，坐在客车哪一侧（左或右）的乘客会受到车厢对他的作用力？这个力起到什么作用？（第一个问题的参考答案为：自行车起动时做加速运动，此时必须用力蹬车，使自行车获得的动力大于阻力，这样才能不断改变其运动状态，使自行车由静变动，由慢变快。已经骑快的自行车，只需使动力等于阻力，即可匀速运动，所以不需要很大的力量蹬车。第二个问题的参考答案为：右侧。这个力改变乘客的运动方向，使乘客随汽车一起“左转”。）
关于本节课的总结，可以参考下面的“课堂测评”第1题。
4．教学评价
课堂测评
1．本章第三节和第四节研究了运动和力的关系，请你对“运动和力的关系”作一个简要的总结。
2．起重机吊着4t的货物静止不动，货物受到的重力是 N，受到的拉力是 N；当货物匀速上升时，它受到的拉力 于重力；当货物匀速下降时，它受到的拉力 于重力；当货物匀速水平移动时，它受到的拉力 于重力。
3．在图3所示的四种情况中，F1与F2为一对平衡力的是（ ）。

图3
4．苹果挂在枝头静止不动，下列每一对力中属于二力平衡的是（ ）。
A.树枝对苹果的拉力与苹果对树枝的拉力
B.苹果受到的重力与苹果对树枝的拉力
C.苹果受到的重力与树枝对苹果的拉力
D.树枝受到的重力与树枝对苹果的拉力
5．下列说法正确的是（ ）。
A.物体受到力的作用，其运动状态一定改变
B.物体运动状态发生改变时，一定受到了力的作用
C.物体保持匀速直线运动状态或静止状态，一定没有受到力的作用
D.物体受平衡力作用时，一定处于静止状态
6．做一做：用弹簧测力计吊起一个钩码，静止不动，观察测力计的示数。手提测力计使钩码匀速上升或下降，观察测力计的示数是否变化？为什么？若使钩码急速上升或下降，观察测力计的示数是否变化？为什么？
7．“不倒翁”的上部是极轻的外壳，底部填充密度较大的物质（如铁块），它的质量集中在底部，重心很低，如图3(b)所示。

(a) (b) (c)
图3
⑴请在(c)图中画出水平面对“不倒翁”的支持力的示意图；
⑵试分析：为什么当“不倒翁”倾斜时，能自动站立起来？
8．宇宙飞船在太空沿椭圆或圆形轨道绕地球运行，例如我国神舟6号飞船绕地球一圈需要90min，飞行速度约为7.82km/s。请问宇宙飞船为什么能绕着地球做曲线运动？

参考答案
1．及时对知识进行梳理能够把众多的知识联系起来，形成知识体系，不仅有利于记忆，而且能加深对知识的理解。鼓励学生用多种形式进行总结。如：
提纲形式：
⑴牛顿第一定律：一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持匀速直线运动状态或静止状态。
⑵物体受平衡力作用时，保持匀速直线运动状态或静止状态。
⑶物体受非平衡力作用时，运动状态是变化的。
表格形式：
受力情况表现形式运动状态
是否改变遵循的规律或满足的条件
不受力静止或匀速直线运动不改变牛顿第一定律
受平衡力静止或匀速直线运动不改变二力平衡的条件
受非平衡力速度的大小改变或方向改变改变力可以改变物体的运动状态

图示形式：

此外还可以用大括号、知识树等形式进行总结。
2．3.92×104 3.92×104 等 等 等 3．B 4．C 5．B 6．手提测力计使钩码匀速上升或下降，测力计的示数不变化，因为此时钩码受到的拉力和重力平衡，即测力计的示数始终与钩码受到的重力大小相等。若使钩码急速上升或下降，测力计的示数变化，因为钩码的运动状态是变化的，钩码受到的拉力和重力不平衡，测力计的示数与钩码受到的重力大小不再相等。 7．⑴如图4所示，F即为水平面对“不倒翁”的支持力。 ⑵由图7-12可知，当“不倒翁”歪倒时所受的支持力和重力不平衡，所以会逆时针转动，从而站立起来。 8．宇宙飞船绕地球运动时受到地球对它的引力，引力不断改变其运动方向，使飞船做曲线运动。
“自我评价与作业”指导

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