自制“力的合成與分解”演示儀

馮 楠 王 林

(寧夏大學物理電氣信息學院 寧夏 銀川 750021 )

高中《物理·必修1》中“力的合成”和“力的分解”是學習與解決力學問題最基礎的內容，也是學習物體平衡、動量定理等內容的基礎.新課程標準要求學生通過實驗，理解力的合成與分解，知道共點力的平衡條件，區分矢量與標量，用力的合成與分解分析日常生活中的問題[1].然而，由于對矢量知識了解不深，學生對矢量的運算往往缺乏感性認識和生活經驗，如何突破思維定勢，讓學生理解平行四邊形法則是本節教學的重點，也是難點.正是因為學生對矢量的陌生，所以在教學過程中應該讓學生在探究活動中獲得切身的體驗[2].現行課本中設計了“探究求合力的方法”的實驗，該實驗雖能得出結論，但操作起來不太方便，不利于學生自主探究，更不便于教師課堂演示實驗.

基于此，筆者設計制作了一個能全面表述“力的合成與分解”的演示實驗儀器，力求能夠通過自制教具， 有效解決現有教學儀器的不足[3].該自制實驗儀在全國第五屆 “人教社杯”大學生與研究生物理教學技能展評暨自制教具與設計實驗展評中被評為二等獎.

下面本文將詳細介紹該演示儀的制作方法、特點以及在物理教學中的使用方法和操作過程等.

1 實驗裝置簡介

(1)儀器裝置

彈簧測力計2個，調節旋鈕(滑輪)2個，方形滑槽1個，50 g砝碼1盒,角度刻度盤2個,橡皮條、細繩若干.

(2)制作材料

大角度刻度圓盤,所用支架由2 mm厚的鐵板制成；小角度刻度圓盤,制作材料有白色塑料、強磁1塊、萬能膠等；細繩用牢度強伸縮性小的蠟線制成.

(3)制作方法

角度刻度盤如圖1所示，制作方法如下.

大角度刻度盤：面板背面焊有兩個插孔，可垂直固定在支架上，且面板周圍刻有360°滑槽，便于滑輪的調節旋鈕在任意位置移動.在面板上用量角器、直尺、油性水筆畫出刻度與角度.

圖1 力的合成與分解演示儀角度刻度盤

小角度刻度盤：將白色塑料裁成圓形，在板面上畫出角度刻度，背面用萬能膠將強磁固定，以便將其固定在大角度刻度盤的任意位置；制作方形滑槽，選取長15 cm,寬5 cm的長方形鐵板，刻出長14 cm,寬0.5 cm的滑槽.

(4)演示儀的實物圖

演示儀的實物圖如圖2所示.

圖2 演示儀實物圖

2 演示實驗操作步驟

2.1 探究求合力的方法

操作步驟：

(1)在方形滑槽上掛一橡皮條，在橡皮條下方兩根引線上掛等量砝碼，并將引線放入調節旋鈕凹槽內，調節方形滑槽高度，將橡皮條和引線結點位置與角度刻度盤中心對齊，讀出兩個分力的大小及方向，在角度刻度盤面板上用力的圖示法畫出分力.

(2)取下砝碼，檢查彈簧測力計是否在零刻度線上，如果不是，用手輕輕將彈簧測力計調整至零刻度.用彈簧測力計將橡皮條結點拉至角度刻度盤中心位置，讀出測力計的示數,用力的圖示法在角度刻度盤面板上畫出合力.

圖3 求合力的大小

(3)連接3個力的箭頭，可得出平行四邊形,如圖3所示.

(4)改變方形滑槽，調節旋鈕的位置，重復以上步驟，驗證平行四邊形定則.

注意：若中心結點與面板上角度刻度盤中心不一致，可采用小角度刻度盤測量分力夾角.

數據記錄：

記錄數據如表1所示.

表1 探究求合力的方法數據記錄

2.2 探究合力的大小與分力夾角之間的關系

操作步驟：

(1) 檢查彈簧測力計是否在零刻度線上，如果不是，用手輕輕將彈簧測力計調整至零刻度.

(2)將方形滑槽調節至圓盤正上方，彈簧測力計掛在滑槽上，橡皮條掛在測力計的掛鉤上，在橡皮條下方的引線上掛兩個砝碼，將砝碼放下，兩個砝碼同時處于零刻度線上，彈簧測力計顯示1 N.

(3)將兩個砝碼的引線分別放入調節旋鈕的凹槽內，將調節旋鈕調節到30°的刻度上，觀察測力計示數并記錄，將調節旋鈕調節到60°刻度上，觀察測力計示數并記錄.多次調節旋鈕，觀察分力夾角大小與合力之間的關系.

(4)改變方形滑槽、調節旋鈕的位置，重復以上步驟.

數據記錄：

記錄的數據如表2所示.

表2探究合力的大小與分力夾角之間的關系數據記錄

分組力 第一組第二組第三組第四組F1大小/N0.50.50.50.5方向/(°)9060300F2大小/N0.50.50.50.5方向/(°)9060300F1,F2夾角大小/(°)180120600F合大小/N00.50.71

實驗結論：以上數據表明，當分力大小不變時，兩分力構成的夾角越大，合力越小，夾角越小，合力越大.

3 物理教學中的使用效果

(1)儀器改變了書中傳統的教學方式，采用更簡單的方式“探究求合力的方法”，能夠直接在角度刻度盤上畫出平行四邊形，使學生能夠直觀地得出平行四邊形定則，教學效果更加清晰明了.

(2)省去了書中繁瑣的實驗流程，學生可以在相同的時間內，進行多組實驗，總結實驗規律，使得實驗更加便捷，課堂更加高效.

(3)實驗儀器可多方位使用，合力和分力的大小及方向可任意調節，豐富了原有的教學方法與教學效果.

4 儀器的特點

(1)大角度刻度盤采用鐵質材料制成，在盤的周圍刻有360°滑槽，使得兩個調節旋鈕和方形滑槽可沿角度刻度盤360°任意角度固定，這使得合力與分力的方向可以任意確定與組合.

(2)大角度刻度盤與小角度刻度盤配合使用.大角度盤板面清楚，可清晰地讀取分力的大小和分力的夾角度數, 若合力與分力的匯聚節點在大角度刻度盤的中心位置，可采用大角度刻度盤，直接在面板上做出平行四邊形.小角度盤在面板上任意移動位置及方向，故不管幾個力的匯聚節點移到什么位置，小角度刻度盤的圓心總可以移到這幾個力的匯聚節點上.若匯聚節點不在盤的中心位置，可使用小角度盤測量合力與分力的方向.

(3)使用滑輪做定點，減小了輪子與線之間的摩擦力，提高了測量的準確率.

5 實驗儀器的不足與改進措施

儀器的不足：

實驗儀器采用鐵質材料制成，部分制作工藝有難度，適合儀器廠批量生產，對大多數中學教師或者中學生不太容易推廣.

改進措施：

將鐵質材料的大角度刻度盤用紙質材料代替，為了使儀器刻度精密性提高，使用flash軟件畫出角度刻度盤，保存為jpg格式，將圖片打印，可直接得出角度刻度盤，在盤的背面嵌入一塊磁鐵，這樣使得盤可直接固定在黑板上，提高了演示效果.小角度盤插入一個大頭針，可隨意插入大角度盤的板面上.通過這樣的改進，使得儀器更具有推廣性.

參考文獻

1 中華人民共和國教育部制訂.普通高中物理課程標準.北京:人民教育出版社,2003

2 胡忠國.設置問題創設情境,激發科學探究思維——談“力的合成”的問題探究式教學案例. 湖南中學物理，2011(05)

3 楊志宏.自制教具在物理教學中的現實意義.新課程研究(中旬刊) ,2010(01)