高中物理“力的分解”部分教学研究

时间：2024-05-07

平永敏

（江苏省苏州市昆山市陆家高级中学，江苏苏州 215331）

引言

力学部分是高中物理教学的重要组成部分，也是高考物理常考的热门考点。其中“力的分解”部分作为力学部分的基础知识，在教学中存在一些特殊问题。究其根源主要是集中在“力的分解依据”上。很多学生通过一段时间的学习，能够通过表面的意思按照力的作用效果分解某个力，也会用平行四边形定则来分解某个力，但一旦换了场景就不知道如何进行分解。

一、力的分解应用概述

从数学的角度来看，力的分解就是遵循平行四边形定则对一个力进行分解。而在物理教学中，这些力的分解不是单纯意义上的数学问题，它还与我们具体的生活实践相结合[1]。在物理教学中，我们研究的力，是因为力的作用，使物体自身受到了一定的变化。这种变化既包括形态上的变化，也包括运动状态上的变化。我们之所以研究物体所受外力的合成与分解，目的就在于求合力，只有合力才能够实现力对物体的作用效果。而力的分解部分的知识是求合力的必要前提。依靠数学思维中力的分解的求法，来解决现实生活中的物理问题是行不通的。在物理解题求合力的过程中，如果遇到一个物体受到三个以上作用力的时候，借助力的分解来求合力比通过力的合成来求合力更加方便快捷。

二、力的分解依据

在长期的物理教学中，关于力的分解部分知识的理解呈现多样化，最为普遍的认识就是：“力是依据其实际作用效果来分解的。”力的分解就是借助平行四边形定则，将一个力分解为等效的几个力。如图1所示：物体A放在倾斜角为θ的光滑斜面上，它所受到的重力为G，在平行于斜面的顶端系一根细绳将物体A固定在斜面上，物体和斜面都保持静止状态。那么物体A对斜面的压力和物体A对细绳的拉力分别为多少？

图1

通过对物体A受力分析和图中所示，可得出物体A所受重力产生两个效果：平行于斜面向下，给细绳的拉力G1；垂直于斜面，给斜面的压力G2。根据平行四边形定则就可以求出这两个分力的大小。

从工程力学的角度来看，物体在该实例中受到重力的作用，其中的斜面和细绳限制了物体A在整个组合中的运动。物体A对斜面的压力和对细绳的拉力都是对物体A约束力的反作用力，都属于弹力。其中产生的相互作用力就是重力和约束力的相互作用。也就是说物体A对细绳的拉力和对斜面的压力，不是重力的分解产生的，而是对物体A的约束力和约束力的反作用力共同作用产生的。

在涉及如何求解的问题中，通常情况下，我们运用将研究对象单独隔离出来的方式，对它建立直角坐标系，根据直角坐标系对力进行分解，最终求出对应物体运动状态的合力[2]。在选取直角坐标系的时候，我们可以根据运算习惯来建立，最终的计算结果不会因为直角坐标系选择的不同而发生变化。例如，针对上述例子，我们可以建立两种直角坐标系来分析，如图2所示。

图2

通过左图的直角坐标系的构建，我们可以将G的分力落到x轴和y轴上，这样就可以求出F1=Gsinθ，F2=Gcosθ。通过右边图的直角坐标系，使G落到直角坐标系的y轴上，将F1、F2分解到x轴和y轴上，最终求出F1=Gsinθ,F2=Gcosθ。

在解决上述问题时，我们虽然计算出物体A对斜面的压力为Gcosθ，但是不能说这是重力G的分力产生的作用效果。重力式物体和地球之间的相互作用力，不能转接到别的物体上，造成题目中这种静止状态的情况是物体与地球、细绳和斜面四个物体相互作用产生的，而不是重力单独作用产生的结果。

结合上述问题的分析我们不难看出，“根据力的实际作用效果来确定它的分力”的说法并不准确。笔者认为力分解的依据是所选的坐标系，遵循的法则就是平行四边形法则。

三、力的分解教学设计思路

首先，在课堂教学的引入部分，借助生活中的动画创设相关的问题情境。教师提出问题，引导学生思考，激发学生学习的兴趣。

其次，带领学生回顾上节课学习的《力的合成》部分知识，运用知识迁移理论，总结“分力”和“力的分解”的概念等知识。

第三，提出力的分解的目的。教师通过对任意一个力的分解，让学生体会，只要遵循平行四边形定则，就可以将一个没有任何限制的力分解为若干组分力。但是，为了解题的需要，我们并不是将它进行任意的分解，而是为了求物体所受的合力而有目的性地进行分解。

第四，向学生讲授用力的分解来求合力的具体方法。在这个过程中，教师可以选择一个具体的生活情景，建立相应的直角坐标系，帮助学生加深对力的分解依据的理解。

第五，进行随堂练习。选择生活中一个具体的问题展示给学生，让学生通过合作学习完成解答，帮助学生巩固本节课所学的知识。

四、力的分解教学设计注意事项

（一）明确力的分解的教学目的

在单纯的数学角度，运用平行四边形定则，在没有限制的前提下，可以将一个力分解为若干分力。我们在做力的分解的时候，要明确分解的目的。需要注意的是，根据牛顿运动定律的推算，我们可以看出，物体所受的合力是导致物体运动变化的重要因素，而物体所受的分力并没有实际的“力的作用效果”。在力的分解部分的教学中，力分解的目的就是求解物体所受的合力。

（二）体现力的分解的依据

在上文中，我们就力的分解的依据做了分析。在该部分知识的物理教学中，教师在给学生讲授力的分解方法以后，列举出受多个力的物体合力的计算方法，采用多种坐标系的制作方法来求解，让学生体会在不同的坐标系中求得的各种分力的结果可以不同，但是最终求得的物体所受的合力是相同的。这样可以让学生进一步加深对“力的分解过程就是为了求解物体所受合力的一个解题过程”的理解。