基于“示力桿”的“力的合成”演示實驗

摘要：本文介紹了一種基于帶有伸縮顯示桿和定位針的自制示力桿的力的合成實驗演示板，具有可視性強、操作簡單，彌補了過去實驗方法的缺點。

關(guān)鍵詞：力的合成；示力桿；定位針

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2008)6(S)-0057-2

力的合成實驗是高中物理力學部分中的一個重要實驗，我們常用的力的合成的實驗所用器材包括：兩個彈簧秤、一根帶兩個細繩套的橡皮筋、演示板等。實驗主要用來驗證力的平行四邊形法則。

1 存在問題

以上實驗方法，經(jīng)常作為學生在實驗室的驗證性實驗，如果我們想在課堂上作為演示實驗，存在以下問題：

（1）可視性不強。實驗對于平行四邊形定則的驗證，不能即時的讓學生在同一界面上一目了然的看到一對分力和合力間的關(guān)系，必須要通過詳細的作圖才能把它們的關(guān)系比較清晰的表現(xiàn)出來。

（2）作為演示實驗，操作顯得太復雜。特別是在使用兩個彈簧秤拉橡皮筋讀數(shù)時，既要記力的大小又要記錄力的方向，一個人操作確實不太方便。

為此，筆者設(shè)計了一種基于自制的帶有伸縮顯示桿和定位針的示力桿的實驗演示板，可以彌補傳統(tǒng)實驗的不足。

2 演示板器件

（1）示力桿：自制的示力桿是這個演示板的核心器件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的兩個核心結(jié)構(gòu)是伸縮顯示桿和定位針。其基本原理與彈簧秤相同，不同之處在于示力桿不僅能讀出力的大小，可以通過伸縮桿直觀的看到力的大小和方向，還可以用定位針解放拉桿的手。在實驗中，我們需要三個具有相同的物理特性的示力桿。

伸縮顯示桿的作用是不僅具有彈簧秤的功能，還可以直觀的顯示力的大小，力越大伸出外殼部分就越長，桿體可以涂成紅色，以方便顯示。方向直接可以從示力桿的方向得到。示力桿的外形要做成細長型，建議外殼做成長度為30cm，伸縮顯示桿長度為25cm。所選的彈簧的勁度系數(shù)要小一點，目的是就算在一個較小的力下也可以使伸縮顯示桿直觀的顯示出紅色的桿體。桿體上標注好力的刻度，由于這個示力桿是自制的，所以這一步要自己多次用一個標準的彈簧秤進行標度和校正。外殼的一端是定位針，它的作用是可以直接壓入演示板定位，鎖定彈簧產(chǎn)生的彈力，不再需要用手拉著了。

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（2）演示板：建議尺寸為100cm×100cm，用木質(zhì)較輕的板材（也可以用泡沫塑料板）制作，以方便定位針的定位，上中部釘上一個釘子，以用來拴橡皮筋，表面涂上白漆。

（3）相同的橡皮筋兩個，要求物理特性基本一致，也需要有兩個繩套，且要短，因為在這個實驗中不需要用繩套方向確定力的方向，且這樣便利于實驗的展示。

3 實驗演示過程

（1）把一根橡皮筋掛到演示板上的釘子上，用兩根示力桿A、B把一根橡皮筋的紅色結(jié)點拉到一個位置O，并用定位針在演示板上定位。教師可以從示力桿的伸縮顯示桿上讀出力的大小，并用記號筆在旁邊記下，學生也可以從伸縮顯示桿露出的紅色桿體部分大致看到兩個力的大小（力大小和露出的紅色桿體的長度成正比）及兩個力之間的方向夾角，如圖2所示。

（2）在同一個釘子上再掛上另一根相同的橡皮筋，用一根示力桿C也把它的結(jié)點拉到相同的位置O，教師和學生同樣可以從伸縮顯示桿上得知這根示力桿所產(chǎn)生的力的大小和方向，如圖3所示，那么三個力都非常清楚的定格到這塊演示板上了。

（3）以三個紅色伸縮顯示桿作為平行形的一對鄰邊和一條對角線，用記號筆構(gòu)勒出平行四邊形，即示力桿A和B露出的紅色伸縮顯示桿部分就是平行四邊形的兩條鄰邊，示力桿C的就是平行四邊形的對角線。

（4）通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，三者之間很好的滿足了平行四邊形定則。我們可以讓學生自己觀察，思考后得到結(jié)論，比如畫平行四邊形這一步就可以就學生來做，那樣對學生而言印象會更深刻。

補充：為了讓這個實驗更直觀，有時也可以采用特殊情況來進行驗證，比如A和B的夾角可以取90°，兩個力的大小可以取為3N和4N（或6N和8N），那么如果在實驗中得到C的力接近5N（或10N），那就更有說服力。

4 演示板優(yōu)點

（1）直觀，可視性強。因為使用了自制的示力桿，兩個分力和它們的合力三個力可以輕易的表現(xiàn)到同一個界面上，讓學生可以直觀的發(fā)現(xiàn)三者之間的關(guān)系。

（2）操作更簡便。因為有了定位釘，解放了雙手，一個人便可輕易完成這個實驗，而且不用再通過畫力的圖示來進行驗證，因而大大縮短了實驗的演示時間，節(jié)約了寶貴的課堂教學時間。

(欄目編輯王柏廬)