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《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 |
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小 金 属 环 |
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天 平 |
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直角三角板 |
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钩码(50克) |
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毫米刻度尺 |
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平 板 |
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细 绳 套 |
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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Fx、Fy,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 。
2015年