力的動(dòng)態(tài)變化演示裝置

謝春君

（上海市宜川中學(xué)，上海 200065）

1 引言

雖然靜力學(xué)的動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題有趣迷人，如若缺乏刻畫此類問(wèn)題的方法和手段，學(xué)生就會(huì)糾結(jié)在左腦邏輯分析與右腦形象思維的能耗競(jìng)爭(zhēng)漩渦之中，竟而誤入臨淵慕魚的尷尬境界.

遵從腦手結(jié)合，演示實(shí)驗(yàn)的直觀教學(xué)通則，我針對(duì)典型的力學(xué)問(wèn)題（細(xì)繩、輕桿和斜面擋板），設(shè)計(jì)了一種結(jié)果軌跡屏顯的演示裝置，其利用DIS（Digital Information System）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，開(kāi)發(fā)出表征動(dòng)態(tài)力的系列演示實(shí)驗(yàn)，藉此沖擊學(xué)生的并行視覺(jué)神經(jīng)，使之結(jié)合傳統(tǒng)板書的串行力學(xué)分解信息，盡快理解與掌握此類有趣的問(wèn)題.

首先概要裝置特點(diǎn)，接著詳解細(xì)繩力學(xué)的動(dòng)態(tài)分析趣例.

2 裝置簡(jiǎn)介

結(jié)構(gòu)如圖1，長(zhǎng)約90cm的底座上安裝2個(gè)鐵架臺(tái)，一個(gè)在一端固定，另一個(gè)可在平臺(tái)上滑動(dòng)，平臺(tái)上方安裝一個(gè)水平儀，平臺(tái)底下安裝4個(gè)底腳，可調(diào)裝置水平（圖1中：A底座，B固定鐵架臺(tái)，C可動(dòng)鐵架臺(tái)，D水平儀）.在2個(gè)鐵架臺(tái)的金屬桿上安裝若干多功能轉(zhuǎn)換接頭，可安裝各類配套的儀器裝置，即可完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn).

圖1 裝置圖

配套儀器設(shè)備（1～5標(biāo)號(hào)參見(jiàn)圖1）：① 電機(jī)：牽引轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)；② 多項(xiàng)轉(zhuǎn)接頭：用于在金屬桿上安裝配套設(shè)備；③ 轉(zhuǎn)臂：帶動(dòng)細(xì)線或輕桿轉(zhuǎn)動(dòng)；④ 重物：研究對(duì)象；⑤ 力傳感器及DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；⑥ 支架：研究三角形支架受力問(wèn)題；⑦ 滑輪及帶掛鉤的細(xì)線.

此裝置配合DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可完成高中物理中力學(xué)的多個(gè)微小實(shí)驗(yàn).

3 細(xì)繩的動(dòng)態(tài)變化趣例

問(wèn)題提出：如圖2，保持系住重物m的繩子AB與豎直方向的夾角θ不變，重物靜止，拉住重物的BC繩由水平方向開(kāi)始向上逐漸轉(zhuǎn)到豎直的過(guò)程中，AB繩的張力大小將 _______，BC繩的張力大小將________.

圖2

實(shí)驗(yàn)制作：利用DIS中的力傳感器，通過(guò)電腦直觀顯示兩力大小的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程.

（1）繩端A接在圖1中固定鐵架臺(tái)上面的力傳感器，細(xì)繩C系在圖1中轉(zhuǎn)臂上的力傳感器的掛鉤上.

（2）兩個(gè)力傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接.

（3）實(shí)現(xiàn)B點(diǎn)不動(dòng)且C繩可轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵：設(shè)計(jì)一轉(zhuǎn)臂（圖1）.

（4）為提高轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)一牽引裝置.圖1中，牽引電機(jī)拉動(dòng)轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)C繩轉(zhuǎn)動(dòng).

演示觀察：點(diǎn)擊DIS6.8的通用軟件，開(kāi)始實(shí)驗(yàn).

（1）不掛重物，點(diǎn)擊調(diào)零軟按鈕，2個(gè)傳感器示數(shù)為0，完成傳感器調(diào)零步驟.

（2）點(diǎn)擊示波軟按鍵，開(kāi)始實(shí)驗(yàn).

（3）按動(dòng)電機(jī)遙控按鈕，轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)C繩由水平平滑轉(zhuǎn)到豎直，計(jì)算機(jī)屏幕實(shí)時(shí)顯示出兩力傳感器示數(shù)的變化過(guò)程，圖像（結(jié)果）如圖3所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

原理分析：由圖3可知：當(dāng)BC繩由水平轉(zhuǎn)到豎直過(guò)程中，AB繩的拉力始終變?。蹐D線（a）所示］，BC繩上的力先變小后變大［圖線（b）所示］.

圖4 受力分析

圖5 矢量三角形

4 評(píng)價(jià)反思

（1）實(shí)驗(yàn)效果如何，直接受到底座水平度的影響，A、C細(xì)線及重物一定置于同一豎直平面內(nèi).

（2）傳感器掛鉤與細(xì)線一定要共線，且要精細(xì)調(diào)零.

（3）起始角度θ不同，顯示規(guī)律也有差異，上述原理中只給出其中一種情況.

（4）學(xué)生根據(jù)畫矢量三角形或平衡的方法求解，再結(jié)合力的動(dòng)態(tài)變化數(shù)顯演示裝置實(shí)際觀察，理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，必能真正體驗(yàn)其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程之奧妙.