自制物体对斜面压力测量仪

范佳贺　张艳朝

摘 要：为了更好地促进学生对“物体对斜面压力”这一知识的理解，让学生不仅从理论上推导出结论，同时能够直观看到实验事实，笔者利用压力传感器制成了自制仪器——物体对斜面压力测量仪。该仪器的制作原理与物理规律联系密切，制作方法简单，制作成本在合理范围内。通过实验测试，该仪器能够定量演示物体对斜面压力随斜面倾角的变化关系，教学中使用该仪器能够达到很好的教学效果。

关键词：物体对斜面压力；重力；拉力传感器

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）11-0060-3

1 制作背景

求物体对斜面的压力N，是高中物理中最常见的问题之一，如图1。在这一问题的教学中，一般都是采用理论分析法：对物体进行受力分析，根据实际情况对重力进行正交分解，如图1所示。

根据平衡条件得出：

F=mgsinθ N=mgcosθ

这样的教学方式，由于具有较好的逻辑关系，课堂上学生能够理解并接受。但是，在之后的教学中能够发现，学生会经常犯一种错误，即：不经意间仍将支持力N误认为N=mg。究其根源，由于学生没有亲眼看到：物体放在斜面时，压力N有所减小；且倾角越大，压力越小。因此，学生头脑中没有深刻的理解和记忆。

本自制实验仪器，旨在让学生亲眼观察到物体对斜面压力的数值，认识到理论数值和实验结果的吻合，加深学生对该知识的理解和记忆，体会物理实验的魅力。[1]

2 实验仪器的原理和制作方法

（1）制作所需材料：拉（压）力传感器（本仪器采用200 N量程）、传感器配套数据采集器和软件、角度盘、旋转杆、硬塑料薄板、底座。

（2）制作方法：如图2所示，将角度盘固定在底座上；在角度盘的前方，将旋转杆固定在底座上，且旋转轴心固定在角度盘的圆心上；将硬塑料薄板固定在拉力传感器的拉力感应处，便于将重物放于其上；将传感器固定在转动杆上，便于改变硬塑料薄板的倾斜角度。

（3）工作原理：将仪器水平放在桌面上，旋转杆水平放置，此时由于硬塑料薄板的自重，力传感器有一定示数，需要对其进行调零；将重物放在硬塑料薄板上，此时示数等于重物对硬塑料薄板的压力；改变旋转杆的倾斜角度，由于薄板表面很光滑，静摩擦力很小，需要用细线平行于旋转杆方向拉住重物，此时传感器示数依然等于重物对硬塑料薄板的压力。这样就可以测量出重物对斜面的压力了。

3 实验结果

把一个200 g的砝码放置在硬塑料薄板上，此时屏幕上压力示数是1.97 N。增大斜面的倾斜角度θ，当倾斜角为30度时，示数是1.71 N；当倾斜角为45度时，读数为1.4 N；继续增大倾斜角，示数逐渐减小。现在将不同倾斜角下的读数记录在表格中，每隔10度记录一组数据。同时，利用公式N=mgcosθ计算出对应的理论值，对比结果如表1。

以角度为横坐标，以压力为纵坐标，拟合图像如图3。

通過实验值和理论值的对比，发现：

（1）实验值和理论值吻合度很高。

（2）在0至70°之前，实验数据最大误差值为0.03 N，最大相对误差为4.5%，在较高精度范围内。

（3）在70°至90°之间，最大误差为0.07，也在可以接受的范围内。产生误差的原因是此时测量值较小，传感器本身精度所导致。

通过实验值和理论值的对比，本仪器能够定量地演示物体对斜面压力N随斜面倾角θ的变化关系。

4 实验仪器的使用建议

（1）如果学生基础较好，可用于引课，吸引学生的注意力，激发学生的好奇心和学习兴趣。

（2）如果学生基础一般，可以采用实验验证的方式，在该部分教学中，先进行传统的理论分析，分析之后用该仪器进行演示，对理论结果进行验证，加深学生的理解和记忆。

（3）根据学生的实际情况，也可以采用实验探究的方式，先给学生展示实验现象和数据，然后进行图像拟合，猜测出余弦函数的关系，最后进行理论分析，达到理论数值和实验结果很好的吻合。

参考文献：

[1]廖伯琴.国家精品课程教材：物理教育学[M].北京：高等教育出版社，2012.

（栏目编辑 王柏庐）endprint