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第八章 运动和力
第2节 二力平衡
设计说明
关于平衡状态和平衡力的教学，由牛顿第一定律入手，它告诉我们物体在不受力时，总保持静止状态或匀速直线运动状态，但实际生活中不受力的物体是没有的，为什么还有物体处于静止和匀速直线运动状态，然后引导学生从物体受力分析入手，引入理解物体的平衡状态和平衡力。
在“二力平衡”的教学中，建立让学生经历探究二力平衡条件的实验过程，要求学生通过探究二力平衡的条件，对实验结果进行分析、归纳、概括，从而得出二力平衡的条件。实验前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。实验时要让学生明确操作的主要步骤，提醒学生注意及时记录观察结果。
二力平衡条件得出以后，再通过对生活中实例的观察与分析，引导学生归纳、总结、应用二力平衡条件。通过具体的实例，引导学生分析物体的受力情况，帮助学生认识二力平衡的条件。对于处于二力平衡状态的物体，已知一个力的大小和方向，根据二力平衡条件，就可以确定与之平衡的另一个力的大小和方向。教师要注意引导学生用二力平衡的条件解释一些生活现象，可以结合实例，边画力的示意图边讲解分析，从而培养学生应用知识解决实际问题的能力。
教学目标
1.通过生活实例认识平衡状态、平衡力，并且会判断物体所处状态。
2.通过观察演示实验（或实验探究）二力平衡的条件，培养学生对信息的收集、处理能力。
3.通过对物体平衡知识的学习，能加以运用解决实际问题。
4.通过平衡知识能领略自然现象中的美妙与和谐，培养对大自然的热爱。
教学重点难点
1.重点：通过实验探究，知道二力平衡及物体在平衡力的作用下的运动状态；知道一对平衡力与一对相互作用力的区别。
2.难点：学生设计实验探究二力平衡的条件。
教具
学生用：每组铁架台2个、滑轮2个、硬纸片1个、钩码6个、细绳2条、剪刀1把。
教师用：铁架台2个、滑轮2个、硬纸片1个、钩码6个、细绳2条、剪刀1把。
教学过程
回顾思考
1.力的作用效果：力可以使物体发生形变，也可以改变物体的________。
2.牛顿第一定律的内容是什么？
3.物体间的相互作用力又称为作用力与反作用力，作用力与反作用力大小________，方向________，作用在同一________上，但两个力作用在不同物体上。
导入新课
1.多媒体导入
多媒体画面1：（如图）
教师：同学们看图片中静止的滑冰运动员，你想到了什么？有什么疑问？
引导学生回答运动员处于静止状态，运动员受到了力的作用，即物体受到力的作用也能处于平衡状态。
多媒体画面2：（如图）
教师：同学们看图片中匀速直线上升的热气球，你想到了什么？有什么疑问？
引导学生回答热气球处于匀速直线运动状态，热气球受到了力的作用，即物体受到力的作用也能处于平衡状态。
教师：那么受力的物体仍然处于静止状态或匀速直线运动状态，它们受到的力满足什么样的条件？今天我们共同来探讨这个问题。
2.情景导入
教师：同学们乘坐过厢式电梯吧，当你进入电梯等候启动时，你处于静止状态，此时你受到几个力的作用？当你随电梯匀速升降时，又受到几个力的作用？力的大小有变化吗？
学生：讨论交流。
教师：今天，我们就来探究物体在静止和匀速直线运动时的受力情况。
3.复习导入
复习提问：上一节学习的牛顿第一定律的内容是什么？
回顾回答：一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止或匀速直线运动状态。
教师：同学们见到过我们周围有不受力的物体吗？静止的物体或做匀速直线运动的物体受不受力的作用？举例说明。
学生：悬挂着的日光灯，平直公路上停着的汽车……
教师：为什么这些物体受力也会静止呢？带着这个问题进入这节的学习。
进行新课
探究点一　二力平衡状态
1.多媒体展示：静止在平直公路上的小汽车和在平直的公路上匀速直线行驶的小汽车。
学生观察图片及视频，回答下列问题：
①据牛顿第一定律可知小汽车在不受力的情况下，会______ __。
②多媒体中，静止在平直公路上的小汽车受力吗？______；如果受力，会受哪些力？________。
③多媒体视频中的在平直公路上匀速直线行驶的小汽车受力吗？________；如果受力，会受哪些力？______。
④小汽车受到了力的作用是否呈现出了不受力的效果？这时候物体处于什么状态？受的这些力是什么力？
2. 自主学习、交流讨论
归纳总结：物体受力的作用时，如果保持静止或匀速直线运动状态，我们就说这几个力相互平衡，是平衡力，物体处于平衡状态。
教师：什么叫二力平衡？
提示：当物体在两个力的作用下处于平衡状态时，这两个力相互平衡，即二力平衡。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例1　下列实例中，物体受到平衡力作用的是（　　）
A.正在圆轨道上转圈的过山车
B.减速进站的火车
C.加速上升的火箭
D.在马路上匀速直线行驶的轿车
解析：过山车在圆轨道上运行时，速度发生变化，所以过山车受力不平衡；减速进站的火车速度在减小，所以减速进站的火车受力不平衡；火箭加速上升，速度增大，所以火箭受力不平衡；汽车做匀速直线运动，处于平衡状态，故受平衡力作用，所以D选项正确。　　
答案：D
规律总结：物体处于静止状态或匀速直线运动状态，受到的一定是平衡力。
探究点二　探究二力平衡的条件
教师：思考物体在两个力的作用下要处于平衡状态，这两个力必须满足什么条件呢？
实验：利用小卡片，探究二力平衡的条件。
教师：力有三要素，分别是什么？
提示：大小、方向、作用点。
教师：影响因素较多的情况下，我们应该采用什么方法呢？
提示：控制变量法、放大转换法、模型法等。
视频：演示实验。（通过视频让学生进一步加深印象，找出实验中注意的问题）
学生实验、教师巡视并进行点拨
（1）研究两个力的大小和方向对物体平衡的影响
如图所示，将系于小卡片两对角的细线分别跨过左、右两个滑轮后，在两线端挂上钩码，观察小卡片运动状态的变化。
（2）研究不在同一直线上的两个力对物体平衡的影响
把小卡片转过一个角度，然后松开手，观察小卡片运动状态的变化。
（3）研究不在同一物体上的两个力对物体平衡的影响
用剪刀把小卡片从中间剪开，然后再松手，观察小卡片运动状态的变化。
实验现象：当两线端所挂钩码质量相等时，小卡片静止；当两线端所挂钩码质量不等时，小卡片运动；把小卡片转过一个角度，再松手时，小卡片转动；用剪刀把小卡片从中间剪开，再松手时，小卡片运动。
（4）实验分析：
小卡片总共受到三个力，由于小卡片的重力远小于拉力，所以重力可以忽略不计，这就是理想化的实验方法。
共同总结：作用在同一物体的两个力大小相等、方向相反，且作用在同一条直线上，这两个力就是一对平衡力。
3.视频：利用小车研究二力平衡。
教师：你认为这两种研究方法哪一种更好一点呢？为什么？
让学生小组讨论（加强合作意识）。
引导学生从摩擦对实验的影响方面考虑，利用小车做实验，桌面对小车的阻碍较大，阻力不可忽略，所以小车在水平方向受三个力，不便于研究二力平衡。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例2　如图所示，在下列物体受力的示意图中，物体能处于平衡状态的是（　　）
A B C D
解析：题图C中的两个力符合二力平衡的条件：作用在同一物体上的两个力，大小相等，方向相反，作用在同一直线上。题图A中的两个力分别作用在两个物体上，题图B中的两个力不在同一直线上，题图D中的两个力大小不相等。　　
答案：C
例3　在“探究二力平衡的条件”的实验中。
（1）如果物体只受到两个力的作用，且处于________状态，说明这两个力是相互平衡的。由此，小明提出，能否利用如图所示的实验装置来探究二力平衡的条件？
（2）小华认为，若采用小明的方案，必须测出物体所受的________和________的大小来进行比较。研究发现，在小明的方案中，只能根据相互作用的关系直接测出________的大小，在未知二力平衡条件的前提下，另一个力无法直接测量，所以这一方案无法实施下去。
（3）为此，两位同学不断改进并先后设计了三个实验方案，如图所示，请你判断出他们改进的先后顺序：________（用字母表示），这样的改进是为了减小________对实验的影响。
　　
A　　　　　　　　　　B　　　　　　　C
（4）如图，是最终确认的实验方案。此方案中，由于________，故卡片的重力可忽略不计。
解析：（1）当物体处于静止或匀速直线运动状态时，物体受到的力相互平衡。（2）弹簧测力计测得的重力等于弹簧测力计的示数，弹簧测力计的示数等于物体对弹簧测力计的拉力，物体对弹簧测力计的拉力和弹簧测力计对物体的拉力是一对相互作用力，所以用弹簧测力计测物体的重力属于间接测量，在未知二力平衡条件的前提下，只能测出拉力的大小，重力无法直接测量。（3）A图中小车和桌面之间的摩擦力比B图中的物块受到的摩擦力小得多，C图中只有滑轮间的摩擦，小车不再受摩擦力，由此可知，是为了减小摩擦力对实验的影响，改进的先后顺序应为BAC。（4）图丙所示的是最终确认的实验方案，此方案中，卡片的重力远小于钩码的重力，故卡片的重力可忽略不计。
答案：（1）静止或匀速直线运动　（2）重力　拉力　拉力　（3）BAC　摩擦力　（4）卡片的重力远小于钩码的重力
探究点三　二力平衡条件的应用
1.图片：地面上静止的棋子。（如图）
教师：请分析棋子受到几个力的作用，这些力之间的关系如何。
安排学生小组讨论。
2.视频：高空走钢丝。（如图）
教师：演员是如何控制自己，不让自己倒下的？
引导归纳：演员总是不断调整自己的重心，使重力作用线竖直向下通过钢丝，这样演员才能在重力和支持力的作用下处于平衡状态。即他受到的重力、支持力是一对平衡力，他的运动状态不变。
3.引申
教师：请同学们做出叠石中上方石头的受力示意图。（如图）
4.多媒体展示：多展示几幅图，图中哪两个力是一对平衡力？
视频：直升机悬停在空中。（如图）
教师：直升机受到几个力的作用，其关系是什么？
引导归纳：受到两个力的作用，重力G和升力N，直升机处于静止状态，所以重力G和升力N是平衡的，这两个力一定满足二力平衡的条件，大小相等、方向相反，作用在同一条直线上。
归纳总结：二力平衡条件的应用可以从两方面去掌握：
（1）根据物体处于静止状态或匀速直线运动状态，可以分析出作用在物体上的力的大小和方向。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例4　（2019·安徽中考）如图所示，物块甲和乙处于静止状态。已知甲重12 N，乙重8 N，不计绳重及一切摩擦，则甲受到地面的支持力为________。
解析：因为甲、乙均静止，所以均受力平衡。乙受到重力和绳子的拉力，这两个力是一对平衡力，所以绳子对乙的拉力为8 N。甲受到重力、绳子的拉力以及地面对甲的支持力，甲受到的重力大小等于绳子对甲的拉力和地面对甲的支持力之和。而绳子对甲的拉力大小等于绳子对乙的拉力大小，所以地面对甲的支持力FN=12 N-8 N=4 N。　　
答案：4 N
（2）根据物体的受力情况判断物体的运动状态。
①物体不受力，应保持静止状态或匀速直线运动状态。②物体受一个力，运动状态发生改变，这是力产生的效果。③物体受平衡力时，应保持静止状态或匀速直线运动状态，静止的物体受平衡力时，仍然保持静止；运动的物体受平衡力时，仍然保持匀速直线运动。例如，火车在平直的轨道上行驶，在竖直方向上重力和支持力平衡，如果牵引力大于阻力，火车将加速；如果牵引力小于阻力，火车将减速；如果牵引力和阻力相等，水平方向二力平衡，火车将匀速直线前进。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例5　（2019·山东枣庄中考）如图，在拉力F=10 N的作用下，物体沿水平面向右做匀速直线运动，物体受到的摩擦力是________N；当撤去拉力F时，物体将________，此时，假设重力突然消失，在不计空气阻力的情况下，物体将________（以上两空选填“保持静止状态”“做减速直线运动”或“做匀速直线运动”）。
解析：在拉力F=10 N的作用下，物体沿水平面向右做匀速直线运动，由于物体受到的摩擦力与拉力是一对平衡力，故摩擦力为10 N；当撤去拉力F时，物体只受摩擦力的作用，受力不平衡，故物体将做减速运动，此时，假设重力突然消失，此时压力消失，摩擦力也消失，物体在水平方向上不受力的作用，在不计空气阻力的情况下，物体由于惯性，将保持匀速直线运动。
答案：10　做减速运动　做匀速直线运动
5.请同学们课后思考，一对平衡力和一对相互作用力有哪些异同点？
课堂小结
本节课我们主要学习了：
1.什么是平衡状态；
2.什么是力的平衡；
3.二力平衡的条件；
4.二力平衡条件的应用。
其中二力平衡的条件是重点，较难掌握的是二力平衡条件的应用，大家课下要多多练习。为检验本节课的学习效果，请完成“ 当堂达标”测试题。
当堂达标（见导学案“ 当堂达标”）
布置作业
教材第22页“动手动脑学物理”第1至4题。
板书设计
参考答案（习题见导学案）
针对练习
1.D
2.C　解析：在薄塑料片平衡时，用剪刀将薄塑料片从中间剪断，即成了两个物体，此时薄塑料片不能平衡，则可以得到二力平衡的一个条件是作用在同一物体上，故A、B、D选项错误，C选项正确。
3.D　解析：小车对地面的压力的受力物体是地面，地面对小车的支持力的受力物体是小车，两者不是同一个受力物体，不是一对平衡力，而是相互作用力，A说法错误；小辉受到的重力与地面对他的支持力，两个力受力物体都是小辉，两个力大小相等，方向相反，作用在同一直线上，是一对平衡力，B说法错误；小车受到的重力和小车对地面的压力，两个力的方向都竖直向下，既不是平衡力，也不是相互作用力，C说法错误；小辉推着小车在平直道路上匀速前进，小车受到水平方向推力与小车受到的阻力的受力物体都是小车，推力水平向左，阻力水平向右，方向相反，作用在同一直线上，大小相等，是一对平衡力，D说法正确。
4.500　t3　解析：运动员下蹲后、蹬伸前处于静止状态（图中0~t1这段时间），受力平衡，重力和支持力平衡，二力大小相等，则由图像可知运动员的重力：G=F=500 N。运动员受到地面的支持力F方向向上，运动员的重力G方向向下。由图像可知，t1~t2内，F>G，运动员所受合力向上，运动员向上加速运动，其速度增大；t2~t3内，F>G，运动员所受合力向上，运动员继续向上加速运动，其速度增大；t3~t4内，F当堂达标
1.D　解析：受平衡力作用的物体会保持静止或匀速直线运动状态。在圆形轨道上运动的过山车，运动方向时刻在变；加速上升的火箭，速度越来越大；减速进站的火车，速度越来越小；匀速上升的电梯做的是匀速直线运动，它受到的重力和拉力是一对平衡力。
2.B
3.B　解析：握住绳索匀速上攀时，消防员处于平衡状态，竖直方向上消防员受到的重力和摩擦力是一对平衡力；因为重力的方向竖直向下，所以绳索对他的摩擦力方向竖直向上，摩擦力大小等于他的重力，故B正确。
4.C　解析：所挂重物质量太小，实验现象不明显；所挂重物质量太大，摩擦太大，对实验影响较大，故选C。
5.如图所示。
解析：因为小明站在电梯内，所以受重力和支持力的作用，电梯匀速上升，小明所受重力和支持力是一对平衡力，大小相等，方向相反，过重心作竖直向下的力（即重力）和竖直向上的力（即支持力）。
6.（1）大小相等　（2）旋转一个角度　（3）作用在同一个物体上　（4）卡片的重力可忽略
教学反思
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