重力和基本相互作用

本章设计
本章讲述的是关于“力”的基础知识，是学习静力学的基础和准备.内容包括重力、弹力、摩擦力、力的合成、力的分解.本章内容与初中学过的有关力学知识联系密切，是初中知识的扩展和深化，是今后学好其他力学知识的基础.
所谓基础性，就是要为学习力学知识打下扎实的基础.从知识方面来说，就是理解力的初步概念，理解重力、弹力、摩擦力产生的条件和特性，会进行力的合成和分解.从运用方面说，是初步熟悉对一个物体的受力分析，会画出正确的受力图.
本章具有预备性，不论在知识上和运用上都要有一个“度”.比如在本章第二节提到：“用悬绳挂着的静止物体，用静止的水平支持物支持的物体，它们对竖直悬绳的拉力或对水平支持物的压力，大小等于物体受到的重力.”在这一节就不要求从道理上把这一论断说清楚，可先作为事实接受下来，讲过牛顿第三定律后再解决.再比如静摩擦，要想一开始就把问题讲深讲透，企图学生能够处理比较难的有关问题，可以说是“拔苗助长”，是不可能的.
关于滑动摩擦力，教材中虽然提到“阻碍相对滑动”“跟物体的相对运动的方向相反”， 但举例只限于受滑动摩擦力的物体相对于另一静止物体(相对地面静止)的情形.一开始不宜涉及两物体都相对于地面运动的情形.关于滑动摩擦力的大小计算，介绍动摩擦因数时应强调该因数无单位，与相互接触的两个物体的组成材料及接触面的光滑程度有关，而与其他因素无关，动摩擦因数一般情况下小于1.
静摩擦力是个难点，更要注意要求适当.关于静摩擦力的方向，只限于容易判断相对运动趋势方向的情形.关于静摩擦力的大小，只限于可应用二力平衡求解的简单情形.这里不宜涉及静摩擦力是阻力还是动力的问题.
力的分解也是本节课的难点，首先，在没有条件限制下，一个合力的分力有无数组解;其次是如何确定条件来对力进行分解.这里有两种方法：一是根据力的实际效果确定两个分力的方向从而确定两个分力;另一种是正交分解的方法.前一种是从力的实质上对力进行分解，后一种方法却更简单，更能解决较复杂的问题.
本章共5节课，建议安排8课时，各课时安排建议如下：
1 重力 基本相互作用2课时
2 弹力1课时
3 摩擦力3课时
4 力的合成1课时
5 力的分解1课时
1 重力 基本相互作用
整体设计
力学知识是整个物理学的基础内容，本节课对于建立清晰的力概念以及力的运算起着至关重要的作用.本节主要包括：力的概念、力的矢量性及力的图示、重力、四种基本相互作用.
1.力的概念：物体的运动状态发生变化及物体发生形变是有原因的，是由于其他物体和该物体发生了相互作用，这种作用称为力.认识力、研究力，都要从力的作用效果入手.力离不开物体，每一个力都对应着一个受力物体和一个施力物体，仅有受力物体和仅有施力物体的力是不存在的，力的作用是相互的.
2.力的矢量性及力的图示：影响力的作用效果的因素不仅有力的大小，还有力的方向及作用点，所以力是矢量，将力的大小、方向、作用点称为力的三要素，今后分析研究一个力,不仅要明确它的产生条件，还要明确力的三要素，描述、表示力也要抓住这三条，所以在力的图示中为了让线段的长度表示力的大小必须先规定标度，为了表示方向必画箭头.
3.重力：重力是由于地球对物体的吸引而使物体受到的力，重力的施力物体是地球，要明确重力的普遍性，地面附近的一切物体不管处于静止还是各种运动状态，不管是否受到其他力的作用，它总是受到重力，而且重力的方向总是竖直向下，其大小G＝mg，由于地球不同位置g不相同，所以同一物体在地球不同位置所受重力并不总是相同.
关于重力的测量，要明确测力计的读数，并不是测量了重力本身，而是根据处于静止状态的物体对水平支持 物的压力或对竖直悬绳的拉力的大小等于物体所受的重力来测量的.
4.四种基本相互作用
引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用，让中学生了解这四种作用，同时用来激发学生学习物理、探索物理问题的兴趣.
重点
“重力的三要素”的分析过程是重点，其研究过程和方法也是为其他力学习作铺垫，是本节核心.
难点
不规则物体重心的确定，以及四种基本相互作用的理解是本节课的难点内容.
课时安 排
2课时
三维目标
知识与技能
1.知道力是物体间的相互作用；力使物体产生形变或使物体运动状态改变；用力的图示表达力的三要素.
2.了解重力的产生；理解重力的三要素.
3.能测量重力的大小，确定重力的方向.
4.能解释稳定等与重力相关的现象，并能应用.
过程与方法
1.通过设问、讨论、交流等方法引导学生建立重力的概念.
2.使学生积极参与探究重力概念的建立过程，了解物理学的研究方法,认识物理实验的作用.
3.通过讨论交流，培养学生大胆质疑的能力；培养学生对比分析和交流合作的能力.
情感态度与价值观
1.通过力的分解，体验探索自然规律的艰辛与喜悦.
2.通过合作找出不规则物体的重心，逐步养成将自己的见解与他人分享的团队精神.
课前准备
磁铁、小铁块、细线；弹簧秤、钩码（学生用，2人一组）；刻度尺、圆规.有条件的可以用实物投影设备，并准备相应的力的图示的投影片或实物投影图.
教学过程
导入新课
设问导入
1.你觉得力是什么?请举例说明理由.
2.力的作用效果有哪些?举例说明.
情景导入
（课件展示）播放“苹果落地、投掷标枪、喷泉、飘落的雪花”等录像资料.

图3-1-1
引导学生观察讨论，找出共同点.
探讨结论：这些物体都最终落向地面，是因为受到地球引力的作用.
本节课就来学习力和重力，以及四种基本相互作用.
推进新课
一、力和力的图示
1.力
尽量多设置几个典型的演示实验，引导学生通过感知得出力的概念.
演示实验1：用细线竖直 向上拉动放在桌上的钩码.
引导答出：细线对钩码施加了力.
演示实验2：磁铁吸引铁块
引导答出：磁铁对铁块施加了作用力.
【合作交流】 再举出物体对物体的作用力的实例，要求说出哪个物体对哪个物体施加了力的作用.
（对学生举出的目前不好说明的实例，不必过多分析，可指明以后会涉及）
结论：力是一物体对另一物体的作用.（板书）
说明:这里指出了力的物质性，没有脱离物体而存在的力，一个孤立的物体不会存在力的作用.也就是说，有受力物体，一定有另一个物体对它施加力的作用.力是不能离开施力物体和受力物体而独立存在的.
当我们研究某一个物体受力时，有时不一定指明施力物体，但施力物体一定存在.
（例如说物体受重力，其施力物体是地球）
问题:力是有大小的，力的大小用什么来测量？在国际单位制中，力的单位是什么？符号是什么？（学生初中已经学过以上问题，估计不难答出，可根据具体情况处理）
仅说一个力多大（是多少牛），能不能完整地表达这个力？
教师可以根据实例和学生交流讨论.
讨论结果：仅说一个力多大（是多少牛），不能完整地表达这个力，因为力是矢量，力有三要素：大小、方向和作用点.要把三要素都表达出来才算完整地表达.
2.力的图示
为了形象地表达一个力，可以用一条带箭头的线段（有向线段）来表示：
（1）线断的长短表示力的大小；
（2）箭头表示力的方向.
箭尾（或箭头）常画在力的作用点上（在有些问题中为了方便，常把一个物体用一个点表示）.
例1（教师做）：卡车对拖车的牵引力F的大小是2 000 N，方向水平向右，作出力F的图示.
步骤：选一标度（依题而定其大小）：如用1 cm长的线段表示500 N的力.
从力F的作用点O向右画一线段四倍于标度（4 cm），然后画上箭头（图3-1-2）：

图3-1-2
例2（学生做）：作出下列力的图示是：（可同时出三个题，全班分三组，每组做一个题，并分别选一个学生在黑板上做）
①物体受250 N的重力.
②用细线拴一个物体，并用400 N的力竖直上提物体.
③ 水平向左踢足球，用力大小为1 000 N.
参考答案：

图3-1-3 图3-1-4

图3-1-5
说明：①选不同标度（单位），力的图示线段的长短可不同；
②标度的选取要有利于作图方便.
提示：力的图示是形象地表述一个力的方法，不要忘了定标度.力 的图示要正确反映力的三要素.
二、重力
1.重力的产生：重力是地球上或附近的物体由于地球吸引而使物体受到的力.
指出：地球附近的物体都会受到重力的作用.
【合作探究】 同桌合作，一起找出自己周围有关重力现象的例子，同桌指出施力物体和受力物体.
特别强调：重力是由于物体受到地球的吸引而产生的，但重力并不是地球对物体的吸引力，而是引力的一个分力.
2.重力的三要素
A.大小
桌面上有一个弹簧秤，天平一套，请选择适当的器材，测出物理课本（或其他物品）所受重力的大小，并指出你的依据.
学生讨论分析并说出自己的依据.
归纳总结：可以利用二力平衡，用弹簧秤称量;一般情况下，也可以利用G=mg求解，要用到天平.两种方法的原理不同，但最终都能求出物体所受的重力.
知识拓展：地球的不同地方，重力加速度g不同，物体的地理位置对于以上两种求重力的方法有没有影响呢？（教师可以不给出答案，由学生合作交流讨论完成.或者作为课外实验探究的课题，培养学生合作、探究的科学求知态度）
B.方向
问题设置：任何一个力都有方向，你知道重力的方向吗？请用实例说明你的依据.
学生交流讨论，教师适时投影展示有关现象（雨线、垂柳、铅垂线……）.
归 纳总结：重力的方向 是竖直向下的.
说一说：生活中哪些现象和应用方面涉及重力竖直向下的知识?
C.作用点
教师结合生活实际，给出重心概念：
重心：物体各部分所受重力的等效集点.
思考：请你指出下列物体的重心：充足气的篮球、方砖、石块.
做一做：指出怎么找重心（画图、操作、说明）：
学生自己选择被测对象，分别找出物体的重心.参考教材52页“做一做”，找出不规则物体的重心.
教师演示：木圆环，直角三角尺的重心.

图3-1-6 图3-1-7
具体过程：先用悬挂法确定重心之后，在板上固定一条细线ab，让ab穿过重心c点，再在其重心c处拴上细绳提拉，验证薄板可以水平平衡.如图3-1-6、3-1-7所示.
归纳：物体的重心可在物体之上，也可在物体之外.
结论：规则均匀的物体重心在其几何中心；不规则不均匀的物体重心用悬挂法.
例3一个被吊着的均匀的球壳，其内部注满了水，在球的底部有一带阀门的细出水口.在打开阀门让水慢慢流出的过程中，球壳与其中的水的共同重心将会（ ）
A.一直下降 B.一直不变
C.先下降后上升 D.先上升后下降
先让学生自己回答，估计很多学生会选择A；教师提示开始和最终重心的位置，学生很快就能得出正确答案.借机引导学生思考问题要全面.
参考答案 ：在注满水时，球壳和水的共同重心在球心，随着水的流出，球壳的重心不变，但是水的重心下降，二者共同的重心在下降.当水流完时，重心又回到球心，故选项C正确.
课堂训练
1.关于重力的说法，正确的是（ ）
A.重力就是地球对物体的吸引力
B.只有静止的物体才受到重力
C.同一物体在地球上不论怎么运动都受到重力的作用
D.重力是由于物体受到地球的吸引而产生的
解析：重力是由于物体受到地球的吸引而产生的，地球对物体的吸引力产生两个效果：一个效果是吸引力的一部分使物体绕地球转动；另一个效果及另一部分力才是重力，也就是说重力只是吸引力的一部分.重力只决定于地球对物体的作用，而与物体的运动状态无关，也与物体是否受到其他力的作用无关.
答案：CD
2.用重心的知识解释为什么现在优秀跳高运动员都采用“背越式”技术.
解答：运动员跳高时，重心升得越高，需要的能量就越大.采用跨越式、滚式、剪式三种姿势时的重心肯定要高过横杆，而采用背越式时的重心，就不一定高过横杆，甚至比横杆还低，这样有利于运动员提高成绩.
三、四种基本相互作用

图3-1-8
（播放宇宙中的星系运动录像）
阅读教材后总结：是万有引力的作用把宇宙中的恒星和行星聚集在一起，组成了太阳系、银河系和其他星系.力的相互作用遍布我们周围的一切物体.除此之外还有电荷间的相互作用、磁体间的相互作用，我们把这种力称为电磁相互作用.
【思考与讨论】质子带正电，但质子（与中子一起）却能聚集在一起构成原子核.你能推测是什么力的作用结果吗？
攻略一：阅读教材53页，师生共同讨论、总结.
攻略二：网络搜索或工具书查阅“四种基本相互作用”，进一步了解概念.
结论：决定物质的结构和变化过程的基本的相互作用.近代物理确认各种物质之间的基本的相互作用可归结为四种：引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用.
近代物理的观点倾向于认为:四种基本相互作用是统一的，物理学家们正在为建立大统一理论而努力.但至今也没有公认的结论，望同学们好好学习，为科学事业奉献自己的聪明和才智.
课堂小结
本节内容主要包括：
1.力 力是物体对物体的作用.力不但有大小而且有方向，大小、方向和力的作用点常称为力的三要素.要会作力的图示，它体现物理学的研究方法；
2.重力 重力的产生：重力是地球上或附近的物体由于地球吸引而使物体受到的力；重心：物体重力的作用点；
3.四种基本相互作用：万有引力、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用.
布置作业
1.教材第54页“问题与练习”2、3题.
2.试测自己家中不同物 体的重心.设计好思路，选择最简洁方便的测量工具，写出简要的活动报告.
板书设计
1 重力 基本相互作用

活动与探究
课题：自制一个“不倒翁”或作一个“杂技演员走钢丝”的研究报告
步骤：1.选择器材，组装并进行试 验；反复尝试，直到试验成功；
2.做好实验记录，包括材料和数据等，注意成功与失败的数据对比.
结论：物体的重心位置决定试验的成功与否.
习题详解
1.解答:(1)玻璃杯从桌子上掉下,在重力作用下,运动得越来越快;被抛出去的铅球,在重力作用下 沿曲线落回地面;蹦蹦床在人的压力作用下,向下凹;橡皮筋在拉力作用下变得细长.
(2)人坐在凳子上,人对凳子有一个压力,该力的施力物体是人,受力物体是凳子.
2.解答:首先画出各个物体的重力,再画出力的图示,如图3-1-9所示.

图3-1-9
3.解答:是位于同一点.

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