自制教具演示“探究求合力的方法”

路慧奇 李果

摘要：“探究求合力的方法”的實驗是高中物理的重要實驗之一，對于學生建立矢量的空間關系、確立矢量運算法則等方面具有不可替代作用。自制實驗教具“三角形演示儀”能夠使學生直觀地認識到分力與合力之間的空間位置關系、高效地做出關于求合力方法的平行四邊形關系的猜想，同時，自制教具可以使學生更為主動地參與實驗，有利于物理興趣的保持和增強。

關鍵詞：探究求合力的方法;自制教具;演示

物理是一門以實驗為基礎的學科。物理教材只是為施教者和學習者提供一種可能的學習載體，教材中提供的實驗器材和方案也只是為課堂學習提供了一種可能的方法。教師可以根據教學實際創新實驗方案，改善實驗課堂的生態，使實驗簡單、新穎、有趣，這也是演示實驗的“職責”所在。當前，高中物理實驗課的現狀是“課時緊、內容多、時間少”，如何在有限的時間里高效地完成科學探究的目標，提升學生的科學探究素養是高中物理教師面臨的一大課題。

問題的提出

在講解高中物理人教版必修一第三章第四節《力的合成》中，對于探究求互成角度的兩個分力的合力的方法中，課本采用的探究方法能夠給學生以清晰的探究思路，但不夠直觀，難以使學生快速地建立起合力與分力之間的直觀的空間幾何關系，為此，教師可以通過改進演示實驗達到更加直觀的效果。

筆者在講解本節課時，利用實驗室中極易獲得的器材，通過簡單組裝，得到一套實驗演示裝置，由于用到了鐵架臺和定滑輪且構造出了一個直觀的三角形，姑且將之命名為“三角形演示儀”。

自制裝置介紹

器材簡介 兩個鐵架臺（帶有鐵夾）、兩個定滑輪、兩個帶有螺母的長螺絲釘、細線及鉤碼若干。

組裝方法 如圖所示，先將定滑輪掛在螺絲釘上，并用螺母固定，再將螺絲釘用鐵夾固定在合適的高度處，并調整好定滑輪的位置，使兩個定滑輪的輪槽基本在同一豎直面內，用細線做三個繩套并將它們連接于一點，在每個繩套上掛上適當數量的鉤碼。這樣，一個可以直觀演示合力與分力關系的“三角形演示儀”就組裝成功了。

裝置的優點 一是便于就地取材。一般的高中物理實驗室中都能找到上述裝置所需器材，不需要再額外購置，具有很強的可行性。二是便于組裝。將所需組件準備就緒后，組裝的工作可以由教師來組裝，當然，如果能夠讓學生自行組裝，實驗的印象想必會更好。三是便于攜帶。裝置中所用到的所有器材都可拆卸，便于搬運，組裝所需時間也就是一兩分鐘的事情。所以，上述裝置具有很好的經濟性、便攜性和可行性，便于開展實驗探究。

課堂演示效果

在課堂演示環節，可以分以下幾個環節引導學生經歷教材所需的科學探究的過程。

提出問題 同一直線上的兩個分力的合成滿足“同向相加，反向相減”的規律，這是一種標量運算法則。如果兩個分力不在同一直線上，還可以用此方法計算它們的合力嗎？

觀察現象 在“三角形演示儀”的三個繩套上，分別掛上適當數量的鉤碼。在中間繩套上掛上5個鉤碼，兩側繩套分別掛上3個、4個鉤碼，使系統處于靜止狀態。

可以看到，三根細線的拉力大小分別等于3個鉤碼的重力、4個鉤碼的重力和5個鉤碼的重力，為敘述方便起見，這三個拉力的大小分別記為3、4、5。如果以上方的兩根細線的拉力為分力，則兩個分力（3和4）的合力大小為5，方向豎直向上。

3和4的合力等于5，這里使用的運算方法顯然不是簡單的加減關系了。3和4的和在什么情況下等于5？經過思考，學生的腦海中會蹦出一個熟悉的直角三角形，即“勾三股四弦五”。這樣，一種空間的幾何關系在學生的腦海中初步成型。

提出想法 看來，合力與分力之間有可能會存在一定的空間幾何關系。為了明確它們之間的關系，請學生來測量兩個分力3、4之間的夾角，經過測量，發現它們之間的夾角是直角。接下來，教師引導學生嘗試采用作圖的方法，畫出合力5與兩個分力3、4之間的空間幾何關系，學生通過討論交流，畫出了一個矩形，即以3和4為直角邊、5為豎直方向對角線的矩形。此時，學生可以清楚地看到：合力與分力大小之間不再是簡單的加減關系，它們的方向也不再是一維的關系，而是一種二維關系，即合力的方向夾在兩個分力的方向之間。

合力與分力之間是一種矩形關系嗎？一組實驗數據不足以說明問題。接下來，我們在三個繩套上都掛上3個鉤碼，這時，兩個分力與合力的大小都是3，3+3=3？通過測量學生發現兩個分力3和3之間的夾角是1200，這樣，依據同樣的方法，學生會畫出一個位于豎直平面內的菱形，合力的方向仍然夾在兩個分力的方向之間。這樣，在學生的心中進一步加深了合力與兩個分力是一種空間的方位關系的認識。

在上述兩組演示實驗數據的基礎上，引導學生通過比較來發現它們的共同點，嘗試找出合力與分力之間的關系。

合力與分力之間到底是一種怎樣的幾何關系呢？我們通過比較發現，矩形和菱形的共同特征是：它們都是平行四邊形。

形成猜想 在這個平行四邊形中，平行四邊形的兩個鄰邊表示兩個分力，它們之間所夾的對角線表示合力的大小和方向。這樣，學生可以自然做出猜想：合力與分力之間滿足平行四邊形的關系。但是演示實驗的兩組數據畢竟過于特殊，猜想是否具有一般性呢？此時，學生已經產生了強烈的探究欲望。

設計實驗，驗證猜想 學生當然可以使用這一套演示裝置來完成數據的采集、用圖示法處理數據、基于證據得出結論等探究環節。

效果及思考

通過自制簡易演示裝置“三角形演示儀”有利于探究實驗更順利進行 ?課本上的演示實驗雖然可以讓學生認識到求合力的方法不再是加減運算，但究竟合力與分力是一種怎樣的量的關系，由于猜想探究的空間太大，不利于學生做出明確的判斷。

“三角形演示儀”通過兩組特殊情形（即3、4、5和3、3、3）的演示，可以使學生快速建立合力與分力之間的空間幾何關系，方向明確，空間感強，避免了學生漫無目標的找尋，節省了時間，提高了探究的效率。

自制簡易演示裝置“三角形演示儀”使學生印象更為深刻 教學中發現，很多學生對于曾經做過的某個實驗總是記憶模糊、印象不深，究其原因在于學生的思維參與度不夠、代入感不強，這與實驗缺乏創新、學生按照既定步驟來操作因而是被動實驗有關。為了解決這一問題，需要教師引導學生嘗試采用新的實驗設備，創新實驗情境，改善實驗狀態，使學生具有更強的實驗操作感和成就感。本實驗中，由于探究裝置的改進，探究方向更加明確，學生更容易把握合力與分力之間的關系，這樣的探究，學生更容易深入進去，因而會更加感興趣。在教師演示實驗的引導下，學生順理成章、自然而然地得出合理化的猜想，由此樂意通過自己動手實驗去驗證猜想的正確性，為后續的實驗驗證奠定了良好基礎。

自制簡易演示裝置使物理更有魅力 物理來自于生活，生活中處處皆物理。本實驗從幾個簡單器材組裝起來的演示裝置，經過適當的運用，就可以揭示一個深刻的物理運算規律，可謂是以小見大。學生會充分感受到物理實驗的魅力，同時，學生也會認識到：實驗就在身邊，真理隨處可見！實驗裝置的易獲得性、易操作性，以及巨大的成就感都會成為激勵學生投身物理學習的熱情之源。

自制教具的開發就在身邊 高中物理教師無疑是教師中比較忙碌的一個群體了，但正所謂“處處留心皆學問”。由此可以通過以下途徑來開發實驗教具。

一是網絡、電視資源。當前網絡、電視資源豐富多彩，其中不乏一些兼具趣味性和科學性的視頻資料、節目，可以結合課堂學習的需要，對上述資源進行加工整理，也可以將視頻節目加以剪輯，為教學所用。

二是開發與物理習題相關的小實驗。很多物理題都有一個實驗情境，有些是學生難以理解的，如果教師能通過實驗的方法，不僅有助于學生解答試題，還有助于培養學生采用實證的方法來解決物理問題的意識，同時豐富物理的實驗資源。

三是將玩具、家用電器加以改進或者直接加以利用。例如，講解功能關系時，可以把小朋友們的過山車玩具搬過來演示;講解電動機的啟動電流時，可以將玩具風扇中的電動機拆下來接入實驗電路，等等，這樣可以使學生充分體會到生活即物理，便于實驗的生活化。

四是改進實驗器材。課本上提供的實驗方案往往是在一定情境下進行才能觀察到明顯的現象。例如，對于斷電自感現象的演示，如果利用一般的小燈泡來演示的話，不論怎么調整線圈的自感系數，總是難以看到“閃亮”現象，這時，如果將小燈泡換為發光二極管，只需要一般的線圈并聯，就會有很好的效果。所以，教師要通過摸索、開發實驗資源，盡可能地為學生提供豐富的感性材料，讓學生不再覺得物理是“冷冰冰”的。

五是要多借鑒。“它山之石，可以攻玉。”盡可能參加外地的講課活動，這些課堂上涌現了大量的、優秀的實驗資源，為什么不拿來用呢？相信只要我們留意，總會收獲并積累大量、有用的實驗資源。

六是要推進實驗的現代化。物理實驗演示不能只停留在傳統水平上，可以借助信息化技術設計演示、模擬實驗，幫助學生理解難于理解的現象，如可以借助PPT的動畫功能演示波動現象等，也可以借助DIS實驗系統讓實驗更具備現代感。

結束語

高中物理的學習需要借助于大量的演示實驗來為學生呈現豐富多彩的物理現象，這些現象將有助于學生理解感到“冰冷”的物理概念和規律，有助于拉近學生與物理之間的“感情”，同時，實驗對于提升學生的物理核心素養，尤其是在科學探究素養的培育具有不可替代的作用。作為物理教師，應努力開發、盡最大可能地為學生搭起一片美麗的實驗星空。

【基金項目：本文系河南省教育科學“十三五”規劃一般課題《高中物理課堂演示實驗的研究與開發（課題編號：2018-JKGHYB-093）》研究成果】

參考文獻

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[3]馮楠，王林.自制“力的合成與分解”演示儀[J].物理通報，2014（10）.

（作者單位：河南省平頂山市第一中學）