力的合成與分解的實(shí)驗(yàn)演示＊

閆彬彬 李耀宗 華雪俠 趙 宇 喻盛歡

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力的合成與分解的實(shí)驗(yàn)演示＊

閆彬彬 李耀宗 華雪俠 趙 宇 喻盛歡

摘要：根據(jù)定滑輪可改變力的方向，保持力的大小不變的性質(zhì)，借助砝碼的重力，制作了一種力的合成與分解的演示實(shí)驗(yàn)裝置。介紹了力的合成與分解的實(shí)驗(yàn)演示步驟。通過課堂演示教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：力；力的合成與分解；力的平衡；力的平行四邊形法則

課堂演示實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的探究能力、養(yǎng)成科學(xué)的思維方式及形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度有重要意義[1]。在高中物理階段，物理量一般可分為標(biāo)量與矢量兩種，表征物理學(xué)規(guī)律的公式與方程也有標(biāo)、矢量之分。相對(duì)于標(biāo)量的運(yùn)算，矢量運(yùn)算要復(fù)雜得多，其加法遵從平行四邊形法則。在物理學(xué)中一般通過矢量的坐標(biāo)分解將矢量方程轉(zhuǎn)化為標(biāo)量方程，以方便運(yùn)算。力是物理學(xué)中最重要的概念之一，又是矢量，教學(xué)中力的合成與分解既是難點(diǎn)又是重點(diǎn)。我們制作了一種力的合成與分解的演示儀。通過課堂演示實(shí)驗(yàn)，直觀地揭示力的矢量性及力的合成與分解規(guī)律，可幫助學(xué)生構(gòu)建正確的力的概念，掌握矢量的運(yùn)算法則。

一、演示教具的設(shè)計(jì)與制作

設(shè)計(jì)原則：(1)定滑輪可改變力的方向，力的大小不變；(2)繩子可等值地傳遞力的大小，并體現(xiàn)力的方向；(3)砝碼的重力滿足G= mg 。

制作過程簡介：選一塊厚度約3 cm，長、寬為50 cm×40 cm的軟質(zhì)木板，木板上端設(shè)置掛鉤，可使木板豎直懸掛于黑板上。選同型號(hào)輕質(zhì)滑輪，以細(xì)鐵釘(或粗針頭)為滑輪的軸，將定滑輪的軸固定在木板上的不同位置。從一個(gè)節(jié)點(diǎn)出發(fā)，引出二或三根細(xì)線，繞過預(yù)設(shè)的定滑輪并懸掛適當(dāng)質(zhì)量的砝碼，即可進(jìn)行二力平衡、三力平衡及力的合成與分解的實(shí)驗(yàn)演示。圖1所示為演示儀的實(shí)物圖。

圖1 演示儀實(shí)物圖

二.實(shí)驗(yàn)演示與分析

1.二力平衡的演示

如圖2所示，用一根細(xì)線繞過兩定滑輪，并懸掛質(zhì)量相同的砝碼，則會(huì)出現(xiàn)兩砝碼靜止的平衡狀態(tài)。在滑輪之間的線上選擇一點(diǎn)P，則P點(diǎn)受到繩子向兩側(cè)的拉力F1，F(xiàn)2的作用，且為一對(duì)平衡力，于是F1=F2。

圖2 二力平衡示意圖

2.力的合成與分解的演示

(1)二共線力的合成與力的共線分解

如圖3所示，保持圖2中F1不變，將F2用同向向右的兩根繩子的拉力F3，F(xiàn)4代替，使P點(diǎn)受力平衡。則F3+F4=F2。即同方向的二力F3，F(xiàn)4可合成為力F2。也可以認(rèn)為力F2可分解為同方向的二力F3，F(xiàn)4。實(shí)驗(yàn)中若用方向相反的二力F3，F(xiàn)4代替F2，即可得出反方向二力的合成與分解。

圖3 同向二力的合成與分解

(2)任意夾角的二力的合成與分解

圖4 任意夾角二力的合成與分解

演示時(shí)，各力的大小由砝碼重力給出，力的夾角由量角器量出，可通過列表的方式，讓學(xué)生比較F2的大小與F3，F(xiàn)4合成的結(jié)果，驗(yàn)證力的平行四邊形法則。同時(shí)，通過反復(fù)演示，可證實(shí)給定二力的合力是唯一的，而同一個(gè)力分解為二力時(shí)，可有無窮種分法。至于多個(gè)力的合成與力的多項(xiàng)分解，可依據(jù)二力的合成與分解的方法，通過多次合成與分解完成。

三、結(jié)束語

本文介紹的演示儀制作方便，當(dāng)選用的砝碼質(zhì)量在50 g～100 g范圍時(shí)，繩子自身的重力與定滑輪的摩擦力影響很小，演示結(jié)果可靠。演示儀可掛在黑板上，便于學(xué)生觀察。通過我們多次教學(xué)實(shí)踐，借助演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)施力的合成與分解一節(jié)的教學(xué)，有利于激發(fā)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)興趣，可幫助學(xué)生自主構(gòu)建力的矢量性及力的合成與分解的規(guī)律。

參考文獻(xiàn)

[1] 應(yīng)周武.實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)[J].物理實(shí)驗(yàn),2007,27(1):24.

[2] 馮楠,王林.自制力的合成與分解演示儀[J].物理通報(bào),2014(10):70.

[3] 付紅周.自制力的合成與分解演示器[J].物理教學(xué)探討,2007,25(1):58.

作者信息

閆彬彬，在讀本科生。李耀宗，本科，副教授。華雪俠，碩士，講師。趙宇，在讀本科生。喻盛歡，在讀本科生。咸陽師范學(xué)院，712000

*基金項(xiàng)目：咸陽師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：201410722026)。