高一物理教案：《共點(diǎn)力作用下物體的平衡 》教學(xué)設(shè)計(jì)(2)

　　活動(dòng)準(zhǔn)備：

　　長(zhǎng)方形的塑料尺、心形卡片、中空的管子(圓環(huán))、煙盒、奶瓶、細(xì)竹竿、硬幣、梯形皮包、支架及茶杯、走索演員在一根高空鋼絲上表演的投影片，在繩索上駕駛摩托車(chē)下掛載人“車(chē)廂”的投影片.

　　活動(dòng)過(guò)程：

　　科學(xué)講座，并進(jìn)行討論與思考

　�、倌隳芑卮鹄蠋熃o你提出的問(wèn)題嗎?

　�、谀阌X(jué)得重心和平衡的知識(shí)在生活中的應(yīng)用廣泛?jiǎn)?你能舉出實(shí)例嗎?物理學(xué)中的其它知識(shí)呢?

　　1、分析確定重心的問(wèn)題

　　重心是重力在物體上的作用點(diǎn)也就是物體各部分所受重力的合力的作用點(diǎn).

　　為什么要考慮物體的重心呢?當(dāng)我們希望一個(gè)物體保持平衡時(shí)，就要用到重心的概念.例如，這里有一把尺子，為了把尺子支撐住，有一個(gè)辦法就是把它放在桌子上.這時(shí)，桌子向尺子的各個(gè)部分都施加了支撐力，但是尺子的重力也可以被看作只作用在重心上.我們可以把一個(gè)手指尖放在尺子重心的下面，這時(shí)，僅僅支在一個(gè)點(diǎn)上就能把尺子支撐起來(lái).你可以用手指尖按照上述辦法使尺子保持平衡.下面，我們將用平衡點(diǎn)作為重心的別名.

　�、倌憧梢杂脤�(shí)驗(yàn)的方法來(lái)尋找尺子的平衡點(diǎn).首先，把尺子放在互相隔開(kāi)的兩個(gè)食指尖上.然后，慢慢地讓兩個(gè)手指向一起靠攏，方法是先移動(dòng)一個(gè)手指，再移動(dòng)另一個(gè)手指.最后，這兩個(gè)食指將在尺子的中點(diǎn)處靠在一塊.于是，平衡點(diǎn)就是尺子的中點(diǎn).就是那些非均勻物體，也可以用這種滑動(dòng)手指的方法找到它們的平衡點(diǎn).你可以采用同樣的方法，試著找出鉛筆、鋼筆和高爾夫球棒的重心.你將會(huì)很容易地找到這些物體的平衡點(diǎn).但是，在這些情況下手指每次應(yīng)向前移動(dòng)多少，可能估計(jì)得不很恰當(dāng).你可以先用一把掃帚試著估計(jì)一下，然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

　　②尋找不規(guī)則形狀物的重心，還有一種方法可供使用.如尋找一個(gè)心形卡片重心的方法是用兩個(gè)手指輕輕地把心形卡片捏起來(lái)，卡片就會(huì)前后擺動(dòng)起來(lái)，最終它將靜止下來(lái).當(dāng)卡片靜止后，通過(guò)手捏卡片的那個(gè)點(diǎn)在卡片上畫(huà)一條鉛垂線.用手指在另外一點(diǎn)(這點(diǎn)不應(yīng)在剛才畫(huà)的那條鉛垂線上)把卡片捏起來(lái)，待卡片靜止后，再畫(huà)一條鉛垂線.這兩條線相交的那一點(diǎn)，就是心形卡片的重心或平衡點(diǎn).當(dāng)你把手指支在這一點(diǎn)的下面，就可以把卡片平衡地支撐起來(lái).

　　③任何物體都有一個(gè)重心.人的重心大約是在肚臍的后面、身體的中心處.假設(shè)讓一個(gè)人躺在蹺蹺板上，讓他的肚臍恰好在蹺蹺板支撐點(diǎn)的上方，這樣，人體通常能夠達(dá)到平衡，蹺蹺板的兩端都將不接觸地面.

　�、芤欢沃锌盏墓茏�，重心位于管的空心內(nèi)，而不是在制作這管子的材料(管壁)上.這是與重心的定義相符合的.重心不一定要位于物體內(nèi).如果你試著使一段管子或圓環(huán)達(dá)到平衡，你可以用手指支撐它們的外側(cè)，這是一種不穩(wěn)定的平衡狀態(tài).如果一段管子處于豎直狀態(tài)或圓環(huán)是處在水平狀態(tài)(即它們的圓形截面處在水平面內(nèi))，又要用一個(gè)手指支撐它們，就必須用一塊硬紙板托在圓環(huán)(或管子)下面，再用手指支在紙板上即可.

　　任何物體的形狀和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，都可以使它的重心發(fā)生移動(dòng).當(dāng)我們把尺子從一端削掉一段之后，尺子余下部分的重心，就移動(dòng)到新的位置了.與此相似，如果在尺子的一端粘上一團(tuán)油灰，尺子也有一個(gè)新的平衡點(diǎn).試問(wèn)，平衡點(diǎn)是朝油灰移動(dòng)，還是朝相反方向移動(dòng)?

　　2、探討物體平衡的問(wèn)題

　　對(duì)于一個(gè)物體來(lái)說(shuō)，當(dāng)共點(diǎn)力的合力為零時(shí)，我們就說(shuō)該物體是處于平衡狀態(tài).

　�、倮�如在地板上放著電冰箱、電冰箱受到重力和支持力的合力為零，我就說(shuō)，電冰箱是處于平衡狀態(tài).在地面上的任何靜止的物體，都是處于平衡狀態(tài).

　�、谧烂嫔系哪硞�(gè)物體，在外力作用下作變速運(yùn)動(dòng)，這物體便不是處于平衡狀態(tài).在這種情況下，重力方向仍然是與支持力的方向相反，但是使物體作變速運(yùn)動(dòng)的外力卻是水平方向的.

　�、鄹鶕�(jù)物體形狀的不同，各種物體可以有一個(gè)或更多個(gè)平衡位置.讓我們把一枚硬幣放在水平的桌面上，它有兩種平衡位置：讓硬幣的某個(gè)平面接觸桌面，這是一種平衡位置，把硬幣立起來(lái)，讓它的側(cè)面接觸桌面，這是另一種平衡位置.請(qǐng)注意，硬幣有兩個(gè)平面，我們把它們看作是一種平衡位置;讓硬幣的側(cè)面接觸桌面，使它達(dá)到平衡，這種平衡位置可以有無(wú)數(shù)種情況，但我們都把它們看成是一種平衡位置.我們?cè)僖詿熀袨槔�，說(shuō)明怎樣分析物體的平衡位置.把煙盒放在水平的桌面上，它有三種平衡位置：一種平衡位置是讓煙盒底面(或者頂面)接觸桌面;第二種平衡位置是讓煙盒后面(或者前面)接觸桌面;第三種平衡位置是讓煙盒的一個(gè)端面(或者另一個(gè)端面)接觸桌面.你能舉出一個(gè)具有四種平衡位置的物體來(lái)嗎?

　�、芗僭O(shè)某個(gè)物體處于非平衡位置，當(dāng)人們把它放開(kāi)以后，它將朝著平衡位置運(yùn)動(dòng).讓我們手持一個(gè)煙盒，在桌子上方將煙盒松開(kāi)，它將落在桌面上，并將迅速地靜立在煙盒的某個(gè)面上.當(dāng)我們做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，你怎樣放開(kāi)煙盒是沒(méi)有關(guān)系的;不管你是在怎樣的狀態(tài)下放開(kāi)煙盒，它總是要達(dá)到某個(gè)平衡位置.我們還可以手執(zhí)一枚硬幣將它放下，硬幣落到桌面上以后，也會(huì)達(dá)到它的某一平衡狀態(tài).

　�、莶⒎撬�有的平衡位置都相同，各種平衡位置之間的差異，是它們的穩(wěn)定性不同.

　　3、講解穩(wěn)定平衡問(wèn)題

　�、倨仁挂晃矬w產(chǎn)生一個(gè)很小的位置移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)，在引起一陣擺動(dòng)以后，它最終將回到原來(lái)的平衡位置，這物體便處于穩(wěn)定平衡狀態(tài).

　　桌上放著一個(gè)直立的奶瓶，當(dāng)我們輕輕地推一下瓶的頸部，它便會(huì)前后擺動(dòng)，但最終將回到原來(lái)的直立位置.

　�、谂c穩(wěn)定平衡相對(duì)立的是不穩(wěn)定平衡.如果使物體產(chǎn)生一個(gè)很小的位置移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)，它未能引起擺動(dòng)，則該物體處于不穩(wěn)平衡狀態(tài).隨之而來(lái)的，是這物體將發(fā)生運(yùn)動(dòng)，到達(dá)另一個(gè)平衡位置.例如，一枚硬幣，當(dāng)它的平面接觸桌面時(shí)，要比它的周邊接觸桌面有較好的穩(wěn)定性.當(dāng)你極其輕微地碰一下硬幣時(shí)，它將前后擺動(dòng)，但最后硬幣仍回到原來(lái)的平衡位置.當(dāng)然，如果你用大一點(diǎn)的力碰它，它將會(huì)翻倒，變成硬幣平面接觸桌面.

　　假設(shè)你現(xiàn)在使一根針或一根細(xì)竹竿直立，并可能使它達(dá)到平衡，這時(shí)，它是處在不穩(wěn)平衡位置.當(dāng)我們給它施加一個(gè)極微弱的力時(shí)，這根針或細(xì)竹竿將會(huì)倒下來(lái)，達(dá)到整個(gè)長(zhǎng)度都接觸地面的新的平衡狀態(tài).

　�、勰男┮蛩貨Q定了物體的穩(wěn)定程度呢?一個(gè)因素是支持面的大小.當(dāng)支持面大時(shí)，平衡的穩(wěn)定性也增大.例如，一個(gè)長(zhǎng)方體的桶，當(dāng)它放倒時(shí)，比它直立時(shí)的穩(wěn)定性要好.再舉一個(gè)例子，有一種冰淇淋盒是圓錐形的，當(dāng)盒里沒(méi)有裝入冰淇淋時(shí)，我們將杯口朝下放在桌上，這時(shí)它的穩(wěn)定性較好;但如果將它錐體的尖端朝下放置，冰淇淋盒的穩(wěn)定性則很差.實(shí)際上，如果圓錐體的尖端朝下而且達(dá)到平衡，它是處于不穩(wěn)平衡狀態(tài)，這正像任何其它物體平衡于一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)角上，也都屬于不穩(wěn)平衡狀態(tài).

　　④決定物體穩(wěn)定性的另一個(gè)因素是重心相對(duì)于支持面(或支持點(diǎn))的位置.一個(gè)物體，它的重心越低、越是接近支持面，則穩(wěn)定性越好.我們可舉這樣一個(gè)例子，一個(gè)普通梯形皮包，倒放時(shí)比正放時(shí)的重心位置要高.試問(wèn)：在這種情況下，重心各在哪里?

　　近年來(lái)的賽車(chē)，為了降低所使用的賽車(chē)的重心高度，制造出了更加低矮的“低懸掛”型賽車(chē).對(duì)于低懸掛型的賽車(chē)來(lái)說(shuō)，由于以下的各種原因可能造成的翻車(chē)事故，是不大容易發(fā)生的：賽車(chē)在側(cè)向氣流作用下而翻車(chē);在和其它車(chē)碰撞后而翻車(chē);以及賽車(chē)本身由于某種原因而產(chǎn)生了橫滑所造成的翻車(chē).換句話說(shuō)，由于低懸掛型賽車(chē)在正常行駛狀態(tài)時(shí)重心極低，要把它弄翻，從正常的平衡狀態(tài)，翻到車(chē)的側(cè)面著地或車(chē)的頂面著地的另一個(gè)平衡狀態(tài)，是不太容易的.

　�、菁僭O(shè)一個(gè)物體的重心是在物體支持面的底下，那么，這個(gè)物體的穩(wěn)定性是很強(qiáng)的.把一個(gè)茶杯吊掛在鉤子上，如上圖所示.就是穩(wěn)定平衡的一例.如果你把這茶杯推一下，也不管你是怎樣推法，那么最終這茶杯必然要恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)上.

　　走索演員在一根高空鋼絲上表演的時(shí)候，重心總是在支持面上的，而支持面又很小，怎樣保持穩(wěn)定性呢?它是通過(guò)調(diào)整姿態(tài)，使重心總是在支持面的正上方而保持平衡的.一般的走索演員在表演時(shí)要手持一根長(zhǎng)長(zhǎng)的平衡桿，主要通過(guò)調(diào)整平衡桿的位置來(lái)調(diào)整整體重心的位置，以保持平衡.有經(jīng)驗(yàn)的演員，則可以不要平衡桿，通過(guò)自己的身體姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，而使身體的重心保持在鋼絲繩的正上方.

　　活動(dòng)小結(jié)

　　本科學(xué)講座以豐富多彩的生活實(shí)際展示了物體重心、平衡等問(wèn)題，開(kāi)闊了學(xué)生視野.只要學(xué)生養(yǎng)成良好習(xí)慣，做一個(gè)有心人，善于觀察，勤于思考，就會(huì)弄懂很多科學(xué)道理，并運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去創(chuàng)造更加美好的生活!