《探究共点力作用下刚体的平衡条件》教学设计

一、提出问题

我们在初中学习过二力的平衡条件，知道如果刚体只受到两个力作用，只要这两个力大小相等、方向相反，且在同一直线上，刚体就会处于平衡状态。如果有多个共点力作用在刚体上，怎样才能平衡呢？

二、参考器材

下列所给器材中，你若需要请在器材后面打“√”，若还不够，在空格处写上需要的器材名称。

弹簧称3只		小 金 属 环
天       平		直角三角板
钩码（50克）		毫米刻度尺
平       板		细  绳  套

三、探究过程

【猜想与假设】

刚体在一对平衡力作用下，所受到的合力为          。因而，你认为刚体在多个力作用下的平衡条件可能是                       ，用公式如何表示                           。

【设计与提示】           

实验装置如图1-1所示。                     

                                                 

                                              

       乙                     甲

                                             

                丙

                图 1                                             图2

                                                               

1．方木板平放在桌上，用图钉将白纸钉在板上。将三只细绳套的一端系在小金属环上，

把三个测力计的挂钩系分别钩住一只细绳套的另一端。

2．将小金属环放在方木板上，固定一个测力计甲，沿两个不同的方向拉另外两个测力计乙和丙，如图1所示。平衡后，描下三根细绳的方向即为三个拉力的作用线，读出甲、乙、丙三个测力计上拉力的大小F₁、F₂、F₃。

3．这三个力的作用线廷长，我们将会发现其延长线交于一点O，这说明三个力是共点力。

4．去掉测力计和小金属环，制定合适的标度，以交点O为作用点，用力的图示法在纸上把三个力F₁、F₂、F₃ 表示出来。

5．按平行四边形定则求出F₁和F₂的合力F₁₂，在实验误差范围内比较F₁₂和F₃，它们的大小和方向的关系是                               。它们的合力为         。

6．使弹簧称乙和丙的大小和方向作较大的改变，重复步骤2、3、4、5。

【分析与结论】

由此可以得出刚体在共点力作用下的平衡条件是所受的合外力为        ，即F_合=     。

    如果有更多的测力计，可以用细线将几个测力计与小铁环相连，照步骤2、3、4、5那样，画出这些作用在小金属环上的力F₁、F₂、F₃、F₄……，它们仍是共点力，其合力仍为零，从而得出多个共点力作用下刚体的平衡条件也是合外力为        ，即F_合=     。

四、启发联想

1.  实验时要求三个弹簧称的拉力要和平板平行，为什么？

2.  在画力的图示时，单位长度的线段所表示的力是尽量大些好还是尽量小些好？为什么？

    3．木板要水平放置，而且要使用质量小的金属环为什么？

4.请根据二力的平衡条件和合力的概念从理论上推出三个、四个……等多个共点力作用下刚体的平衡条件。

【课外实验】

1．假如没有弹簧称，而用钩码（若干个），请设计实验的方案。

2．把力图示出来后，建立正交坐标系，然后，把所有的力沿X轴和Y轴进行分解，再分别求出在x轴和y轴上的合力F_x、F_y，得出的结论是什么？所以共点力作用下刚体的平衡条件也可以表示为                                              。