§4.2形变与弹力（第一课时：形变与弹力的产生）本节教学案例设计人：福建省建阳一中邱守雄一、教学内容分析内容与地位《普通高中物理课程标准》共同必修模块“物理1”中的第二个二级主题“相互作用与运动规律”中涉及本课时内容的条目有“知道常见的形变，通过实验了解物体的弹性”，该条目要求学生知道常见的形变，这里注重从学生熟悉的生活现象引人物理内容，体现了“加强课程内容与学生生活、现代社会及科技发展的联系”的课程理念；同时还要求学生通过实验了解物体的弹性，这里强调了学习的过程与结果。弹力的概念是力学中重要的基础知识，在初中学生对它已有初步认识的基础上，在高中要使学生进一步深化对它的理解，本节课将通过研究形变来探究弹力的由来、作用点和方向（下一课时研究弹力的大小及其应用）。在教学过程中，不仅要使学生知道常见的形变、了解物体的弹性、弄清弹力的发生、作用点和方向，而且要让学生经历对问题的探究过程，体验探究未知世界的乐趣，领悟从特殊到一般的研究方法——归纳法。教学目标知道常见的形变，了解物体的弹性，弄清弹力的发生、作用点和方向；体验通过实验探究未知世界的乐趣，领悟从特殊到一般的研究方法——归纳法。重点和难点通过研究形变来探究弹力的发生、作用点和方向，使学生在理解形变与弹力知识的同时领悟其研究方法，是本节课教学的重点；有效的引导学生进行思考、质疑和做好微小形变显示的实验是本节课教学的难点。二、案例设计（一）引入研究一种力就是要弄清它的发生、大小、方向、作用点，上一课我们就是从这几方面来研究重力的。从今天这节课起，我们将用两节课的时间，仍然从这几方面来对大家在初中曾经见过的另一种力——弹力做进一步的研究。本节课先研究弹力的发生、方向、作用点。（二）对弹簧作用力的观察与思考教师指出，物理学是一门以实验为基础的学科，研究物理问题的方法往往是从实验入手，从观察启步。我们的研究也将这样进行。先观察一组实验，并思考弹簧对小车的作用力是怎样产生的？其作用点、方向如何？教师在按图1所示的实验装置演示水平桌面上的小车在压缩（或拉伸）弹簧后受到弹簧对它的压力（或拉力）之后，引导学生讨论上述问题，使学生明确弹簧对小车的压力（或拉力）是由于弹簧发生了形变（被压缩或拉伸后形状的改变）后要恢复原状时产生的，力的作用点在弹簧与小车的接触点，力的方向指向弹簧恢复原状的方向。（教师用ppt打出加波浪线的这段文字和弹簧形变与相应的小车受力示意图）
教师引导学生思考：象上述这种由于一个物体（弹簧）发生了形变后要恢复原状时会对另一个与它接触的物体（小车）施加作用力的现象是否普遍存在？为此，我们要对各种常见的形变进行研究。（一）对各种常见形变的观察与思考教师让学生带着如下问题观察、思考教师的演示实验和学生动手实验：A、物体为什么会发生形变？B、当物体发生了形变后是否都对与它接触的物体施加作用力？在什么情况下才有这种作用力？C、物体的形变可以如何分类？（加波浪线的这段文字用ppt打出，以下同）1、教师的演示实验：（1）按图2所示装置演示竹片在小车作用下弯曲，放手后小车被竹片推开；（2）按图3所示装置演示橡皮泥被小车压缩，放手后小车不动；（3）橡皮筋被拉长后把小物体弹出；（4）海绵块受力而被压缩、弯曲与扭转；（5）保险丝被弯成任意角。2、学生动手实验：（1）用双手把橡皮块压缩、拉伸、弯曲、扭转；请思考：在这里为什么要安排学生的动手实验？（2）用双手把橡皮泥压缩、拉伸、弯曲、扭转；教师让学生分小组交流对实验现象的观察、思考结果，在此基础上引导学生得出如下结论：（1）当物体受到力的作用时会发生形状的改变——形变；（2）当物体发生了形变后不一定对与它接触的物体施加作用力；只有当物体发生了能恢复原状的形变时才会对与它接触的物体施加作用力；（3）按物体形变的形式可以把形变分为拉伸、压缩、弯曲、扭转等不同形式；教师指出：我们把停止用力后物体能完全恢复原状的这种属性称为弹性，具有弹性的物体称为弹性体。如橡皮筋、弹簧、海绵块等是典型的弹性体；把停止用力后物体不能恢复原状的这种属性称为范性，这样按停止外力作用后物体能否恢复原状我们又可以把形变分为弹性形变与范性形变：①弹性形变：停止用力后物体能完全恢复原状的形变；②范性形变：停止用力后物体不能恢复原状的形变。（二）弹力的由来、方向、作用点教师引导学生从上述结论中抽象出弹力的概念：发生了弹性形变的物体，由于要恢复原状，对跟它接触的物体会产生力的作用，这种力叫做弹力。然后指出，对拉伸、压缩、弯曲、扭转等不同的形变形式，它们将产生不同形式的弹力，但都作为弹力，它们在产生条件、作用点和方向等方面有共同之处吗？教师引导学生根据弹力的定义和前面的实验观察、思考，对这个问题进行小组讨论。
在上述基础上，教师引导学生归纳出如下几点：1、弹力产生的两个条件：（1）施力物体与受力物体必须直接接触；（2）施力物体必须发生了弹性形变。教师指出，这是直接判断有无弹力存在的基本依据.2、弹力的作用点：在施力物体与受力物体的接触点或接触面。3、弹力的方向：总是指向施力物体形变恢复的方向。说明：这里不仅要求学生对问题进行正确的思考，而且还要求学生能用精练的语言进行概括。因此要给学生留有充裕的时间。（一）对几个特别实例的研究1、对支持力、压力和绳子拉力的研究教师让学生思考放在水平桌面上的铁块受到哪几个力的作用并说出判断的依据。预测学生有代表性的回答可能有如下两种：生1：受到重力和支持力的作用，因为铁块处于平衡状态，根据初中学过的二力平衡的原理可以做出判断。生2：受到重力和桌面对它的弹力的作用，因为铁块在重力的作用下压紧桌面，使桌面产生了弹性形变，桌面由于要恢复原状，因此对与它接触的铁块产生向上的弹力。教师对学生的回答表示肯定，指出生1是根据二力平衡的原理做出推测，生2是根据力的作用效果和弹力的性质做出推测，生1的推测显然是正确的；对生2的大胆推测，我们要发问：桌面真的产生弹性形变了吗？能否设计实验来加以证明呢？教师指出，如果桌面在铁块的重压下产生了形变的话，那么，可能因这种形变太小了使得我们无法直接观察到。因此必须设计一种能够把桌面微小形变加以放大显示的装置。教师启发学生运用光的反射原理设计出教材第68页“图4—25观察微小的形变”的实验，并进行演示。说明：为了说明桌面微小形变的存在和桌面的形变属于弹性形变，因此必须让学生观察a、在桌面没放铁块时光点的位置；b、在桌面放上铁块时光点的位置；c、在铁块从桌面拿起来后光点的位置。教师指出，上述实验证明生2的推测是正确的，这样我们就知道，根据力的效果命名的支持力属于弹力，接着教师引导学生思考得出支持力的作用点在接触面、支持力的方向垂直于接触面指向被支持的物体。教师还指出，从上述实验可以看出，不仅软的物体在力的作用下会发生形变，坚硬的物体在力的作用下也会发生形变，只是后者的形变太微小，要用特殊方法加以放大显示罢了。然后，请学生再观察一个显示微小形变的实验。教师演示教材第69页“图4—26观察玻璃瓶的微小形变”的实验，请学生思考、讨论本实验中观察到的现象以及显示微小形变的原理。说明：让学生观察玻璃瓶的微小形变的目的，一是为了让学生相信坚硬的物体在力的作用下也会发生形变，二是为了让学生了解坚硬物体的微小形变属于弹性形变，三是为了使学生领悟显示微小形变的多种方法。因此在实验之前，要向学生介绍实验装置；在实验中要让学生观察到玻璃瓶受力形变和停止用力时形状恢复的现象；在实验后要给学生思考、讨论的时间。教师接着让学生思考、讨论：铁块对桌面的压力是不是弹力？它是如何产生的？作用点、方向如何？
教师继续让学生思考、讨论：绳子对物体的拉力是不是弹力？它是如何产生的？作用点、方向如何？最后，教师引导学生对支持力、压力、绳子的拉力进行总结，指出它们都是属于弹力；支持力、压力的方向跟接触面垂直并指向被支持（或被压）的物体；绳子拉力的方向指向绳子收缩的方向。1、对弹性限度的研究教师提问：弹性体的形变一定是弹性形变的吗？让学生先根据自己的经验进行思考、讨论。说明：这个问题要求学生首先必须弄清弹性体、形变、弹性形变等有关概念，然后在实际中加以应用。这是培养学生自主学习能力的机会，教师要引导学生通过阅读ppt电子板书或教材有关内容简要回顾这几个概念后再进行应用。教师引导学生通过具体测量铜丝的弹性形变和范性形变区域来研究这个问题：a、先让学生阅读教材第70页“实验与探究”的一段文字；b、让学生思考讨论所用的铜丝是长一些好还是短一些好；c、如何测量铜丝的伸长量；d、如何判断铜丝所发生的形变是弹性形变还是范性形变。教师在帮助学生弄清上述问题的基础上进行实验操作、数据记录和分析，得出实验的结果。在此之后让学生阅读教材第70页中间自然段文字以使学生明确其微观机制。最后教师引导学生做出结论：弹性体的弹性形变是有限度的。当弹性体形变达到某一值时，即使撤去外力，物体也不能恢复原状，这个值叫弹性限度。（二）本课时总结比较重力与弹力重力弹力产生原因由于地球的吸引由于物体发生弹性形变作用点重心（物体与地球不需要直接接触）接触面或点（施力体与受力体需要直接接触）方向竖直向下指向施力物体形变恢复的方向（如：绳子拉力的方向为沿着绳子收缩的方向；支持力或压力的方向为与接触面垂直指向被支持或被压的物体1、教师引导学生将弹力与重力在力的产生原因、方向、作用点等方面进行比较。（用ppt打出）2、教师利用如下关系图引导学生对形变进行总结性回顾：3、教师引导学生对本节课所运用的研究方法进行总结（1）
归纳法：通过对若干个体现象的研究，归纳出同一类现象所具有的共同属性，发现一般规律。（1）实验探究法（如下图）请思考：教学程序作这样的安排有什么好处？三、案例评析本节课教学设计注重学生对“形变与弹力”的形成过程和知识的真正理解，教学过程中注重引导学生参与实验探究，激发学生思维活动的主动性和创造性。使学生即掌握了“形变与弹力”的有关知识，又发展了学生学习科学的思维方法，有助于学生今后的自主学习。首先，把“研究弹力的发生、方向、作用点”作为本课时研究的导向，引导学生首先研究一个熟悉的现象——弹簧的压缩或拉伸与它对物体的作用，发现弹簧对物体作用力的发生、方向、作用点与弹簧形变及其恢复的关系，并追问这种现象是否普遍存在，从而引发了对常见形变及其作用力的研究，通过对各种常见形变的观察与思考，初步归纳出了弹力现象的共同属性，建立了“形变、弹性、范性、弹性形变、范性形变、弹性体、弹力”等概念，认识了常见形变的种类，发现并阐述了弹力的发生、方向、作用点与弹性体形变及其恢复的关系，接着通过对几个特别实例的研究，使学生进一步完善了对“形变与弹力”的认识，使之真正相信“力可以使物体发生形变（其中包括明显形变和微小形变）”、感受到“支持力、压力、拉力、推力均属于弹力”和“弹性体的弹性形变是有限度的”。本节课教学设计的特色是：在研究的程序上，先研究“弹簧形变与弹力”这一最熟悉的现象，在弄清弹簧弹力与其形变及其恢复的关系后，接着研究其它比较常见的“形变与弹力”现象，初步归纳出了“形变与弹力”现象的共同属性，最后再通过对几个特别实例的研究，形成对“形变与弹力”
现象比较完整的认识体系。这样的研究，符合人的认知按螺旋式上升的规律，便于学生理解；其次，让学生带着问题观察一系列实验现象和进行动手操作实验，不仅使他们对“形变与弹力”的知识有切身的体会，而且使他们经历了实验探究过程，培养了他们的问题意识，激发了他们的探究热情，使他们感悟“从简单到复杂；从个别到一般；实验探究”等科学的研究方法；最后，组织学生开展小组讨论，使学生能发展并学会表达自己的观点，培养了他们的合作意识。本节课的教学设计适合于农村县一级中学中等程度的学生。如果学生的物理基础较好，留给学生思考讨论的时间要多一些，教师的引导要少一些，并且在学校教学条件许可的情况下，可以把“对弹性限度的研究”的演示实验改为学生的自主探究实验。四、教学资源链接1、物理教学资源网：形变和弹力http://www.zb.edu.sh.cn/wuli-kg/g1/2a.htm2、第三节弹力：http://www.pep.com.cn/200403/ca377647.htm
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