自制“力的合成”演示實(shí)驗(yàn)裝置

江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院

摘    要：在人教版高中《物理·必修1》“力的合成”這一節(jié), 課本里介紹了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來探究合力與分力之間的關(guān)系, 雖然該實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單, 但存在明顯的不足.基于此, 我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)新的學(xué)生用實(shí)驗(yàn)裝置, 介紹該自制裝置的原理及實(shí)驗(yàn)操作過程, 它彌補(bǔ)了課本上簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)的缺陷, 增加了物理課堂的嚴(yán)謹(jǐn)性.

關(guān)鍵詞：力的合成與分解;  自制實(shí)驗(yàn)裝置;  平行四邊形定則;

作者簡(jiǎn)介：曾心 (1996-) , 女, 在讀本科生, 研究方向?yàn)槲锢斫逃?/span>

作者簡(jiǎn)介：程晏蓓 (1983-) , 女, 講師, 主要從事大學(xué)物理教學(xué)工作和實(shí)驗(yàn)研究.

基金：《大學(xué)物理》課程“微課”教學(xué)資源的設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用研究, 項(xiàng)目編號(hào):JXJG-15-2-7

“力的合成”是高中物理教材中的重要內(nèi)容, 是力學(xué)研究的基礎(chǔ)知識(shí), 同樣也是矢量運(yùn)算的開始, 掌握該內(nèi)容的關(guān)鍵就在于力的合成所遵循的定則———平行四邊形定則.新課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn), 理解力的合成與分解, 知道共點(diǎn)力的平衡條件, 區(qū)分矢量與標(biāo)量, 用力的合成與分解分析日常生活中的問題[1] .結(jié)合高中階段學(xué)生的特點(diǎn), 讓學(xué)生進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn), 突出學(xué)生為主體的特點(diǎn), 增強(qiáng)學(xué)生的主體意識(shí), 對(duì)鉆研出來的知識(shí)掌握得更牢, 形成好的學(xué)習(xí)習(xí)慣[2] .這一階段的學(xué)生對(duì)矢量的運(yùn)用比較陌生, 可能會(huì)存在認(rèn)知的沖突和理解的困難, 如何讓學(xué)生通過自己的探究得到力的合成遵循的定則是很多物理教師研究的方向.

在高中物理教材中介紹了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn), 至少需要兩個(gè)學(xué)生來完成實(shí)驗(yàn)操作.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示, 先將輕質(zhì)小環(huán)掛在橡皮條的下端, 然后用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)成一定角度拉動(dòng)小圓環(huán), 將圓環(huán)拉至O點(diǎn), 此時(shí)小圓環(huán)受到作用力F1和F2;之后撤去F1和F2, 改用一個(gè)力F拉小圓環(huán), 也拉至O點(diǎn), 對(duì)于橡皮條來說, 兩次伸長(zhǎng)量都是相同的, 即力F的作用效果與F1和F2共同作用效果是一樣的, 所以F就是F1與F2的合力;最后學(xué)生再用矢量圖將力畫出, 得出力的合成所遵循的定則.

本實(shí)驗(yàn)的明顯不足是: (1) 探究分力時(shí), 手拉動(dòng)測(cè)力計(jì), 無法保持受力方向和大小恒定不變, 靜態(tài)平衡很容易打破, 從而引起實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差; (2) 實(shí)驗(yàn)過程中較難保證合力和分力的等效, 橡皮條的受力方向在實(shí)驗(yàn)操作中可能出現(xiàn)偏離, 并且橡皮條經(jīng)過多次拉伸后, 勁度系數(shù)也會(huì)發(fā)生微小的變化, 會(huì)導(dǎo)致合力和分力作用效果不相同.

圖1 教材中的實(shí)驗(yàn)圖   

為改進(jìn)因靜態(tài)平衡被打破而導(dǎo)致的誤差, 有些實(shí)驗(yàn)利用砝碼來拉動(dòng)橡皮條, 卻又帶來了新的問題, 砝碼使得分力大小不能連續(xù)地發(fā)生變化, 基于以上存在的各種問題, 我們?cè)O(shè)計(jì)了一款新的實(shí)驗(yàn)裝置.該實(shí)驗(yàn)裝置在2016年第四屆“華夏杯”全國(guó)物理教學(xué)創(chuàng)新大賽暨物理教育研究論壇中獲得教學(xué)組二等獎(jiǎng).

下面本文將詳細(xì)介紹自制裝置需要用到的器材、實(shí)驗(yàn)操作過程以及演示效果等等.

1 實(shí)驗(yàn)裝置的介紹

(1) 實(shí)驗(yàn)器材

沙桶3個(gè), 小鋼珠 (直徑3 mm) 1盒, 帶有螺絲的滑輪2個(gè), 魚線若干, 標(biāo)有角度的圓紙片, 彈簧測(cè)力計(jì)3個(gè), 帶有凹槽的鐵架臺(tái), 砝碼若干, 鐵絲2根.

注意:圓紙片的紙張不需要太大太厚, 直徑最多不超過15cm, 紙片上標(biāo)有角度, 從中央豎直頂端開始標(biāo)為0°, 然后按照角度從兩邊遞進(jìn), 最小刻度為1°, 直到中央最底端標(biāo)記為180°, 如圖2所示.

圖2 紙質(zhì)刻度盤   

(2) 制作過程

將帶有螺絲的滑輪裝在有凹槽的鐵架臺(tái)上, 旋動(dòng)螺絲帽可以移動(dòng)滑輪, 將標(biāo)有角度的圓紙片過塑后, 在圓紙片的圓心位置打一個(gè)小孔, 用一根細(xì)軸穿過小孔, 在軸上分別系上3條魚線, 一條穿過圓紙片180°刻度的位置, 另兩條分別與彈簧測(cè)力計(jì)相連并繞在滑輪上, 測(cè)力計(jì)底端扣在鐵絲上, 整個(gè)裝置就制作完成.

(3) 實(shí)物展示

小桶中添加若干小鋼珠, 掛在兩側(cè)彈簧測(cè)力計(jì)底端, 砝碼吊在中間魚線下端 (砝碼可用小桶代替, 即可改變合力的大小) , 實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.

圖3 自制實(shí)驗(yàn)裝置圖  

2 實(shí)驗(yàn)操作部分

(1) 測(cè)量合力的大小

用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出圓紙片下方砝碼 (或小桶) 的重量, 由于圓紙片質(zhì)量很小, 可忽略不計(jì), 測(cè)力計(jì)讀數(shù)即為合力的大小, 方向豎直向下, 記錄數(shù)據(jù)后將砝碼 (或小桶) 掛在中間魚線下端.

(2) 測(cè)量分力的大小和方向

在另兩個(gè)小桶中添加適量的小鋼珠, 分別掛在兩側(cè)測(cè)力計(jì)的底端, 測(cè)力計(jì)的讀數(shù)加上其自重即為分力的大小, 分力的方向可從圓紙片上直接讀出.

(3) 重復(fù)測(cè)量, 記錄多組數(shù)據(jù)

改變小桶內(nèi)鋼珠的數(shù)量, 合力和分力也會(huì)隨之改變, 可測(cè)得多組數(shù)據(jù).

(4) 數(shù)據(jù)處理

將數(shù)據(jù)填入表1中, 再利用繪圖工具把力的矢量圖畫出來, 分別將一個(gè)分力沿著另一個(gè)分力平移就可以得到平行四邊形.

表1 合力與分力的數(shù)據(jù)記錄  

(5) 實(shí)驗(yàn)拓展

保持中間砝碼 (或小桶) 的重量不變, 即合力不變, 改變兩側(cè)小桶內(nèi)鋼珠的數(shù)量 (即分力) , 此裝置也可用來演示“力的分解”, 得出一個(gè)力有多種分解方式, 為后一節(jié)學(xué)習(xí)“力的分解”做鋪墊.

3 實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)以及教學(xué)價(jià)值

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)

(1) 通過增加或者減少小鋼珠的數(shù)量來改變合力與分力, 操作簡(jiǎn)單, 同時(shí)也增加學(xué)生探究的樂趣, 由于小鋼珠的重量非常小, 所以在改變力的大小的時(shí)候可認(rèn)為力是連續(xù)變化的, 解決了之前用砝碼存在的問題.

(2) 由于細(xì)線容易纏繞, 很難穩(wěn)定, 所以實(shí)驗(yàn)裝置中利用魚線來和測(cè)力計(jì)相連, 與滑輪相繞, 很好地解決了細(xì)線打結(jié)的問題.

(3) 因鐵架臺(tái)高度限制, 設(shè)計(jì)凹槽以便通過滑輪的位置改變來擴(kuò)大分力的角度測(cè)量范圍.

(4) 圓紙片與魚線的節(jié)點(diǎn)相連接, 可隨著共力點(diǎn)的移動(dòng)而移動(dòng), 可在任意位置確定分力的角度.

(5) 合力的方向始終在豎直方向, 不需要測(cè)量, 減少了數(shù)據(jù)的測(cè)量工作量.

(6) 整個(gè)裝置所測(cè)量的面是豎直平面, 當(dāng)整個(gè)裝置穩(wěn)定之后, 就可以進(jìn)行讀數(shù), 避免了之前由于人工操作不穩(wěn)定帶來的誤差.

3.2 教學(xué)價(jià)值

采用該教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置, 可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣, 讓學(xué)生在簡(jiǎn)單的操作中思考裝置的設(shè)計(jì)思想, 體會(huì)創(chuàng)新以及探究的樂趣.整個(gè)實(shí)驗(yàn)所存在的誤差也是較小的, 所以學(xué)生在讀數(shù)不出差錯(cuò)的情況下可以通過測(cè)量的數(shù)據(jù)得出平行四邊形定則.整節(jié)課下來, 學(xué)生的自主探究和思考使學(xué)生能夠在教學(xué)中成為主體, 提高了課堂教學(xué)的質(zhì)量.

4 總結(jié)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科, 自制教具的使用與制作, 將大大靈活學(xué)生的創(chuàng)新思維, 培養(yǎng)學(xué)生良好的思維品質(zhì), 提高學(xué)生良好的探究能力和合作能力, 綜合提高學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng), 全面落實(shí)高中物理教學(xué)目標(biāo)[3] .

本文所介紹的自制實(shí)驗(yàn)裝置操作起來簡(jiǎn)單方便, 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果也比較準(zhǔn)確, 在之前的眾多實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了較大的改進(jìn).在課堂上學(xué)生們也可以通過自己的探究一步一步尋得實(shí)驗(yàn)結(jié)論, 不僅提高了學(xué)生的動(dòng)手探究能力和動(dòng)腦思維能力, 還激發(fā)了學(xué)生尋求真理的欲望, 讓學(xué)生真切地感受到物理, 體會(huì)物理的樂趣.因此在課堂中可以通過利用此實(shí)驗(yàn)裝置, 取得良好的教學(xué)效果, 用理論指導(dǎo)實(shí)踐, 用實(shí)踐驗(yàn)證理論.

轉(zhuǎn)載于《物理通報(bào)》2017年12期