自制“力的合成”演示實驗裝置*

曾 心 程晏蓓

(江西師范大學物理與通信電子學院 江西 南昌 330022)

自制“力的合成”演示實驗裝置*

曾 心 程晏蓓

(江西師范大學物理與通信電子學院 江西 南昌 330022)

在人教版高中《物理·必修1》“力的合成”這一節，課本里介紹了一個實驗來探究合力與分力之間的關系，雖然該實驗操作簡單，但存在明顯的不足.基于此，我們設計了一個新的學生用實驗裝置，介紹該自制裝置的原理及實驗操作過程，它彌補了課本上簡易實驗的缺陷，增加了物理課堂的嚴謹性.

力的合成與分解 自制實驗裝置 平行四邊形定則

“力的合成”是高中物理教材中的重要內容，是力學研究的基礎知識，同樣也是矢量運算的開始，掌握該內容的關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].結合高中階段學生的特點，讓學生進行探究性實驗，突出學生為主體的特點，增強學生的主體意識，對鉆研出來的知識掌握得更牢，形成好的學習習慣[2].這一階段的學生對矢量的運用比較陌生，可能會存在認知的沖突和理解的困難，如何讓學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簡單的實驗，至少需要兩個學生來完成實驗操作.實驗裝置如圖1所示，先將輕質小環掛在橡皮條的下端，然后用兩個彈簧測力計成一定角度拉動小圓環，將圓環拉至O點，此時小圓環受到作用力F1和F2；之后撤去F1和F2，改用一個力F拉小圓環，也拉至O點，對于橡皮條來說，兩次伸長量都是相同的，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；最后學生再用矢量圖將力畫出，得出力的合成所遵循的定則.

本實驗的明顯不足是：(1)探究分力時，手拉動測力計，無法保持受力方向和大小恒定不變，靜態平衡很容易打破，從而引起實驗數據的誤差；(2)實驗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驗操作中可能出現偏離，并且橡皮條經過多次拉伸后，勁度系數也會發生微小的變化，會導致合力和分力作用效果不相同.

圖1 教材中的實驗圖

為改進因靜態平衡被打破而導致的誤差，有些實驗利用砝碼來拉動橡皮條，卻又帶來了新的問題，砝碼使得分力大小不能連續地發生變化，基于以上存在的各種問題，我們設計了一款新的實驗裝置.該實驗裝置在2016年第四屆“華夏杯”全國物理教學創新大賽暨物理教育研究論壇中獲得教學組二等獎.

下面本文將詳細介紹自制裝置需要用到的器材、實驗操作過程以及演示效果等等.

1 實驗裝置的介紹

(1)實驗器材

沙桶3個，小鋼珠(直徑3 mm)1盒，帶有螺絲的滑輪2個，魚線若干，標有角度的圓紙片，彈簧測力計3個，帶有凹槽的鐵架臺，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15 cm，紙片上標有角度，從中央豎直頂端開始標為0°，然后按照角度從兩邊遞進，最小刻度為1°，直到中央最底端標記為180°，如圖2所示.

圖2 紙質刻度盤

(2)制作過程

將帶有螺絲的滑輪裝在有凹槽的鐵架臺上，旋動螺絲帽可以移動滑輪，將標有角度的圓紙片過塑后，在圓紙片的圓心位置打一個小孔，用一根細軸穿過小孔，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力計相連并繞在滑輪上，測力計底端扣在鐵絲上，整個裝置就制作完成.

(3)實物展示

小桶中添加若干小鋼珠，掛在兩側彈簧測力計底端，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)，實驗裝置如圖3所示.

圖3 自制實驗裝置圖

2 實驗操作部分

(1)測量合力的大小

用彈簧測力計測出圓紙片下方砝碼(或小桶)的重量，由于圓紙片質量很小，可忽略不計，測力計讀數即為合力的大小，方向豎直向下，記錄數據后將砝碼(或小桶)掛在中間魚線下端.

(2)測量分力的大小和方向

在另兩個小桶中添加適量的小鋼珠，分別掛在兩側測力計的底端，測力計的讀數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)重復測量，記錄多組數據

改變小桶內鋼珠的數量，合力和分力也會隨之改變，可測得多組數據.

(4)數據處理

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

表1 合力與分力的數據記錄

(5)實驗拓展

保持中間砝碼(或小桶)的重量不變，即合力不變，改變兩側小桶內鋼珠的數量(即分力)，此裝置也可用來演示“力的分解”，得出一個力有多種分解方式，為后一節學習“力的分解”做鋪墊.

3 實驗裝置的優點以及教學價值

3.1實驗裝置的優點

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

(2)由于細線容易纏繞，很難穩定，所以實驗裝置中利用魚線來和測力計相連，與滑輪相繞，很好地解決了細線打結的問題.

(3)因鐵架臺高度限制，設計凹槽以便通過滑輪的位置改變來擴大分力的角度測量范圍.

(4)圓紙片與魚線的節點相連接，可隨著共力點的移動而移動，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，不需要測量，減少了數據的測量工作量.

(6)整個裝置所測量的面是豎直平面，當整個裝置穩定之后，就可以進行讀數，避免了之前由于人工操作不穩定帶來的誤差.

3.2教學價值

采用該教學實驗裝置，可以增強學生學習的興趣，讓學生在簡單的操作中思考裝置的設計思想，體會創新以及探究的樂趣.整個實驗所存在的誤差也是較小的，所以學生在讀數不出差錯的情況下可以通過測量的數據得出平行四邊形定則.整節課下來，學生的自主探究和思考使學生能夠在教學中成為主體，提高了課堂教學的質量.

4 總結

物理是一門以實驗為基礎的學科，自制教具的使用與制作，將大大靈活學生的創新思維，培養學生良好的思維品質，提高學生良好的探究能力和合作能力，綜合提高學生的物理學科素養，全面落實高中物理教學目標[3].

本文所介紹的自制實驗裝置操作起來簡單方便，實驗現象明顯，實驗結果也比較準確，在之前的眾多實驗基礎上進行了較大的改進.在課堂上學生們也可以通過自己的探究一步一步尋得實驗結論，不僅提高了學生的動手探究能力和動腦思維能力，還激發了學生尋求真理的欲望，讓學生真切地感受到物理，體會物理的樂趣.因此在課堂中可以通過利用此實驗裝置，取得良好的教學效果，用理論指導實踐，用實踐驗證理論.

1 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準.北京：人民出版社，2003

2 邱俊英.探究式教學在高中物理教學中的應用.中國校外教育,2009(8):104

3 劉繼民.自制教具在高中物理教學中的作用.中國教育技術裝備,2013(10):147～148

2017-04-18)

**《大學物理》課程“微課”教學資源的設計、開發與應用研究,項目編號：JXJG-15-2-7

曾心(1996- )，女，在讀本科生，研究方向為物理教育.

指導教師：程晏蓓(1983- )，女，講師，主要從事大學物理教學工作和實驗研究.