自制“力的合成与分解”演示仪

冯 楠 王 林

(宁夏大学物理电气信息学院 宁夏 银川 750021 )

高中《物理·必修1》中“力的合成”和“力的分解”是学习与解决力学问题最基础的内容，也是学习物体平衡、动量定理等内容的基础.新课程标准要求学生通过实验，理解力的合成与分解，知道共点力的平衡条件，区分矢量与标量，用力的合成与分解分析日常生活中的问题[1].然而，由于对矢量知识了解不深，学生对矢量的运算往往缺乏感性认识和生活经验，如何突破思维定势，让学生理解平行四边形法则是本节教学的重点，也是难点.正是因为学生对矢量的陌生，所以在教学过程中应该让学生在探究活动中获得切身的体验[2].现行课本中设计了“探究求合力的方法”的实验，该实验虽能得出结论，但操作起来不太方便，不利于学生自主探究，更不便于教师课堂演示实验.

基于此，笔者设计制作了一个能全面表述“力的合成与分解”的演示实验仪器，力求能够通过自制教具， 有效解决现有教学仪器的不足[3].该自制实验仪在全国第五届 “人教社杯”大学生与研究生物理教学技能展评暨自制教具与设计实验展评中被评为二等奖.

下面本文将详细介绍该演示仪的制作方法、特点以及在物理教学中的使用方法和操作过程等.

1 实验装置简介

(1)仪器装置

弹簧测力计2个，调节旋钮(滑轮)2个，方形滑槽1个，50 g砝码1盒,角度刻度盘2个,橡皮条、细绳若干.

(2)制作材料

大角度刻度圆盘,所用支架由2 mm厚的铁板制成；小角度刻度圆盘,制作材料有白色塑料、强磁1块、万能胶等；细绳用牢度强伸缩性小的蜡线制成.

(3)制作方法

角度刻度盘如图1所示，制作方法如下.

大角度刻度盘：面板背面焊有两个插孔，可垂直固定在支架上，且面板周围刻有360°滑槽，便于滑轮的调节旋钮在任意位置移动.在面板上用量角器、直尺、油性水笔画出刻度与角度.

图1 力的合成与分解演示仪角度刻度盘

小角度刻度盘：将白色塑料裁成圆形，在板面上画出角度刻度，背面用万能胶将强磁固定，以便将其固定在大角度刻度盘的任意位置；制作方形滑槽，选取长15 cm,宽5 cm的长方形铁板，刻出长14 cm,宽0.5 cm的滑槽.

(4)演示仪的实物图

演示仪的实物图如图2所示.

图2 演示仪实物图

2 演示实验操作步骤

2.1 探究求合力的方法

操作步骤：

(1)在方形滑槽上挂一橡皮条，在橡皮条下方两根引线上挂等量砝码，并将引线放入调节旋钮凹槽内，调节方形滑槽高度，将橡皮条和引线结点位置与角度刻度盘中心对齐，读出两个分力的大小及方向，在角度刻度盘面板上用力的图示法画出分力.

(2)取下砝码，检查弹簧测力计是否在零刻度线上，如果不是，用手轻轻将弹簧测力计调整至零刻度.用弹簧测力计将橡皮条结点拉至角度刻度盘中心位置，读出测力计的示数,用力的图示法在角度刻度盘面板上画出合力.

图3 求合力的大小

(3)连接3个力的箭头，可得出平行四边形,如图3所示.

(4)改变方形滑槽，调节旋钮的位置，重复以上步骤，验证平行四边形定则.

注意：若中心结点与面板上角度刻度盘中心不一致，可采用小角度刻度盘测量分力夹角.

数据记录：

记录数据如表1所示.

表1 探究求合力的方法数据记录

2.2 探究合力的大小与分力夹角之间的关系

操作步骤：

(1) 检查弹簧测力计是否在零刻度线上，如果不是，用手轻轻将弹簧测力计调整至零刻度.

(2)将方形滑槽调节至圆盘正上方，弹簧测力计挂在滑槽上，橡皮条挂在测力计的挂钩上，在橡皮条下方的引线上挂两个砝码，将砝码放下，两个砝码同时处于零刻度线上，弹簧测力计显示1 N.

(3)将两个砝码的引线分别放入调节旋钮的凹槽内，将调节旋钮调节到30°的刻度上，观察测力计示数并记录，将调节旋钮调节到60°刻度上，观察测力计示数并记录.多次调节旋钮，观察分力夹角大小与合力之间的关系.

(4)改变方形滑槽、调节旋钮的位置，重复以上步骤.

数据记录：

记录的数据如表2所示.

表2探究合力的大小与分力夹角之间的关系数据记录

分组力 第一组第二组第三组第四组F1大小/N0.50.50.50.5方向/(°)9060300F2大小/N0.50.50.50.5方向/(°)9060300F1,F2夹角大小/(°)180120600F合大小/N00.50.71

实验结论：以上数据表明，当分力大小不变时，两分力构成的夹角越大，合力越小，夹角越小，合力越大.

3 物理教学中的使用效果

(1)仪器改变了书中传统的教学方式，采用更简单的方式“探究求合力的方法”，能够直接在角度刻度盘上画出平行四边形，使学生能够直观地得出平行四边形定则，教学效果更加清晰明了.

(2)省去了书中繁琐的实验流程，学生可以在相同的时间内，进行多组实验，总结实验规律，使得实验更加便捷，课堂更加高效.

(3)实验仪器可多方位使用，合力和分力的大小及方向可任意调节，丰富了原有的教学方法与教学效果.

4 仪器的特点

(1)大角度刻度盘采用铁质材料制成，在盘的周围刻有360°滑槽，使得两个调节旋钮和方形滑槽可沿角度刻度盘360°任意角度固定，这使得合力与分力的方向可以任意确定与组合.

(2)大角度刻度盘与小角度刻度盘配合使用.大角度盘板面清楚，可清晰地读取分力的大小和分力的夹角度数, 若合力与分力的汇聚节点在大角度刻度盘的中心位置，可采用大角度刻度盘，直接在面板上做出平行四边形.小角度盘在面板上任意移动位置及方向，故不管几个力的汇聚节点移到什么位置，小角度刻度盘的圆心总可以移到这几个力的汇聚节点上.若汇聚节点不在盘的中心位置，可使用小角度盘测量合力与分力的方向.

(3)使用滑轮做定点，减小了轮子与线之间的摩擦力，提高了测量的准确率.

5 实验仪器的不足与改进措施

仪器的不足：

实验仪器采用铁质材料制成，部分制作工艺有难度，适合仪器厂批量生产，对大多数中学教师或者中学生不太容易推广.

改进措施：

将铁质材料的大角度刻度盘用纸质材料代替，为了使仪器刻度精密性提高，使用flash软件画出角度刻度盘，保存为jpg格式，将图片打印，可直接得出角度刻度盘，在盘的背面嵌入一块磁铁，这样使得盘可直接固定在黑板上，提高了演示效果.小角度盘插入一个大头针，可随意插入大角度盘的板面上.通过这样的改进，使得仪器更具有推广性.

参考文献

1 中华人民共和国教育部制订.普通高中物理课程标准.北京:人民教育出版社,2003

2 胡忠国.设置问题创设情境,激发科学探究思维——谈“力的合成”的问题探究式教学案例. 湖南中学物理，2011(05)

3 杨志宏.自制教具在物理教学中的现实意义.新课程研究(中旬刊) ,2010(01)