高一物理教案：《共點力作用下物體的平衡 》教學設計(2)

　　活動準備：

　　長方形的塑料尺、心形卡片、中空的管子(圓環)、煙盒、奶瓶、細竹竿、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下掛載人“車廂”的投影片.

　　活動過程：

　　科學講座，并進行討論與思考

　　①你能回答老師給你提出的問題嗎?

　　②你覺得重心和平衡的知識在生活中的應用廣泛嗎?你能舉出實例嗎?物理學中的其它知識呢?

　　1、分析確定重心的問題

　　重心是重力在物體上的作用點也就是物體各部分所受重力的合力的作用點.

　　為什么要考慮物體的重心呢?當我們希望一個物體保持平衡時，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，有一個辦法就是把它放在桌子上.這時，桌子向尺子的各個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.我們可以把一個手指尖放在尺子重心的下面，這時，僅僅支在一個點上就能把尺子支撐起來.你可以用手指尖按照上述辦法使尺子保持平衡.下面，我們將用平衡點作為重心的別名.

　　①你可以用實驗的方法來尋找尺子的平衡點.首先，把尺子放在互相隔開的兩個食指尖上.然后，慢慢地讓兩個手指向一起靠攏，方法是先移動一個手指，再移動另一個手指.最后，這兩個食指將在尺子的中點處靠在一塊.于是，平衡點就是尺子的中點.就是那些非均勻物體，也可以用這種滑動手指的方法找到它們的平衡點.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.你將會很容易地找到這些物體的平衡點.但是，在這些情況下手指每次應向前移動多少，可能估計得不很恰當.你可以先用一把掃帚試著估計一下，然后再進行實驗.

　　②尋找不規則形狀物的重心，還有一種方法可供使用.如尋找一個心形卡片重心的方法是用兩個手指輕輕地把心形卡片捏起來，卡片就會前后擺動起來，最終它將靜止下來.當卡片靜止后，通過手捏卡片的那個點在卡片上畫一條鉛垂線.用手指在另外一點(這點不應在剛才畫的那條鉛垂線上)把卡片捏起來，待卡片靜止后，再畫一條鉛垂線.這兩條線相交的那一點，就是心形卡片的重心或平衡點.當你把手指支在這一點的下面，就可以把卡片平衡地支撐起來.

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

　　④一段中空的管子，重心位于管的空心內，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.如果你試著使一段管子或圓環達到平衡，你可以用手指支撐它們的外側，這是一種不穩定的平衡狀態.如果一段管子處于豎直狀態或圓環是處在水平狀態(即它們的圓形截面處在水平面內)，又要用一個手指支撐它們，就必須用一塊硬紙板托在圓環(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結構的改變，都可以使它的重心發生移動.當我們把尺子從一端削掉一段之后，尺子余下部分的重心，就移動到新的位置了.與此相似，如果在尺子的一端粘上一團油灰，尺子也有一個新的平衡點.試問，平衡點是朝油灰移動，還是朝相反方向移動?

　　2、探討物體平衡的問題

　　對于一個物體來說，當共點力的合力為零時，我們就說該物體是處于平衡狀態.

　　①例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，電冰箱是處于平衡狀態.在地面上的任何靜止的物體，都是處于平衡狀態.

　　②桌面上的某個物體，在外力作用下作變速運動，這物體便不是處于平衡狀態.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動的外力卻是水平方向的.

　　③根據物體形狀的不同，各種物體可以有一個或更多個平衡位置.讓我們把一枚硬幣放在水平的桌面上，它有兩種平衡位置：讓硬幣的某個平面接觸桌面，這是一種平衡位置，把硬幣立起來，讓它的側面接觸桌面，這是另一種平衡位置.請注意，硬幣有兩個平面，我們把它們看作是一種平衡位置;讓硬幣的側面接觸桌面，使它達到平衡，這種平衡位置可以有無數種情況，但我們都把它們看成是一種平衡位置.我們再以煙盒為例，說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端面(或者另一個端面)接觸桌面.你能舉出一個具有四種平衡位置的物體來嗎?

　　④假設某個物體處于非平衡位置，當人們把它放開以后，它將朝著平衡位置運動.讓我們手持一個煙盒，在桌子上方將煙盒松開，它將落在桌面上，并將迅速地靜立在煙盒的某個面上.當我們做這個實驗時，你怎樣放開煙盒是沒有關系的;不管你是在怎樣的狀態下放開煙盒，它總是要達到某個平衡位置.我們還可以手執一枚硬幣將它放下，硬幣落到桌面上以后，也會達到它的某一平衡狀態.

　　⑤并非所有的平衡位置都相同，各種平衡位置之間的差異，是它們的穩定性不同.

　　3、講解穩定平衡問題

　　①迫使一物體產生一個很小的位置移動或運動，在引起一陣擺動以后，它最終將回到原來的平衡位置，這物體便處于穩定平衡狀態.

　　桌上放著一個直立的奶瓶，當我們輕輕地推一下瓶的頸部，它便會前后擺動，但最終將回到原來的直立位置.

　　②與穩定平衡相對立的是不穩定平衡.如果使物體產生一個很小的位置移動或運動，它未能引起擺動，則該物體處于不穩平衡狀態.隨之而來的，是這物體將發生運動，到達另一個平衡位置.例如，一枚硬幣，當它的平面接觸桌面時，要比它的周邊接觸桌面有較好的穩定性.當你極其輕微地碰一下硬幣時，它將前后擺動，但最后硬幣仍回到原來的平衡位置.當然，如果你用大一點的力碰它，它將會翻倒，變成硬幣平面接觸桌面.

　　假設你現在使一根針或一根細竹竿直立，并可能使它達到平衡，這時，它是處在不穩平衡位置.當我們給它施加一個極微弱的力時，這根針或細竹竿將會倒下來，達到整個長度都接觸地面的新的平衡狀態.

　　③哪些因素決定了物體的穩定程度呢?一個因素是支持面的大小.當支持面大時，平衡的穩定性也增大.例如，一個長方體的桶，當它放倒時，比它直立時的穩定性要好.再舉一個例子，有一種冰淇淋盒是圓錐形的，當盒里沒有裝入冰淇淋時，我們將杯口朝下放在桌上，這時它的穩定性較好;但如果將它錐體的尖端朝下放置，冰淇淋盒的穩定性則很差.實際上，如果圓錐體的尖端朝下而且達到平衡，它是處于不穩平衡狀態，這正像任何其它物體平衡于一個點或一個角上，也都屬于不穩平衡狀態.

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

　　近年來的賽車，為了降低所使用的賽車的重心高度，制造出了更加低矮的“低懸掛”型賽車.對于低懸掛型的賽車來說，由于以下的各種原因可能造成的翻車事故，是不大容易發生的：賽車在側向氣流作用下而翻車;在和其它車碰撞后而翻車;以及賽車本身由于某種原因而產生了橫滑所造成的翻車.換句話說，由于低懸掛型賽車在正常行駛狀態時重心極低，要把它弄翻，從正常的平衡狀態，翻到車的側面著地或車的頂面著地的另一個平衡狀態，是不太容易的.

　　⑤假設一個物體的重心是在物體支持面的底下，那么，這個物體的穩定性是很強的.把一個茶杯吊掛在鉤子上，如上圖所示.就是穩定平衡的一例.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到原來的穩定平衡狀態上.

　　走索演員在一根高空鋼絲上表演的時候，重心總是在支持面上的，而支持面又很小，怎樣保持穩定性呢?它是通過調整姿態，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要手持一根長長的平衡桿，主要通過調整平衡桿的位置來調整整體重心的位置，以保持平衡.有經驗的演員，則可以不要平衡桿，通過自己的身體姿態進行調整，而使身體的重心保持在鋼絲繩的正上方.

　　活動小結

　　本科學講座以豐富多彩的生活實際展示了物體重心、平衡等問題，開闊了學生視野.只要學生養成良好習慣，做一個有心人，善于觀察，勤于思考，就會弄懂很多科學道理，并運用所學的知識去創造更加美好的生活!