孫莉++楊秀++劉毓++周秀??

摘要：本研究結(jié)合高中物理進行力的分解與合成教學(xué)實踐中存在影響教學(xué)演示、學(xué)生操作探究和對理論知識的理解和掌握上的缺陷問題，進行對比分析，有針對性地提出本教學(xué)過程中使用的實驗儀器進行改進設(shè)計方案，并采用移動圓形刻度盤、旋轉(zhuǎn)式可調(diào)分力支架、無線攝像頭、數(shù)字拉力傳感器、232串口和USB接口與單片機相結(jié)合的控制系統(tǒng)，研發(fā)形成新型力的合成與分解教學(xué)演示儀，以用于課堂教學(xué)演示與探究實驗，為提高教學(xué)質(zhì)量提供有益的幫助。

關(guān)鍵詞：圓形刻度旋轉(zhuǎn)平臺；數(shù)字拉力傳感器；無線攝像頭；單片機控制與投影展示

力的合成與分解是高中物理的一個重要內(nèi)容，課標(biāo)要求通過實驗，理解力的合成與分解，知道共點力的平衡條件，區(qū)分矢量與標(biāo)量，用力的合成與分解分析日常生活中的問題。本節(jié)課的關(guān)鍵是讓學(xué)生通過實驗，總結(jié)出矢量的合成方法即平行四邊形法則。實驗成功與否，實驗結(jié)果的好壞，直接影響著學(xué)生對平行四邊形法則的理解和運用。

基于上述教學(xué)內(nèi)容與要求，本研究針對現(xiàn)行本節(jié)教學(xué)所使用的幾種傳統(tǒng)教學(xué)儀器進行對比，并就實驗操作方式、數(shù)據(jù)采集與處理過程、觀測數(shù)據(jù)誤差等方面影響教學(xué)質(zhì)量的主要問題作重點分析。在此基礎(chǔ)上提出以實驗操作簡便、數(shù)據(jù)采集與處理科學(xué)、實驗誤差較小、觀測實驗現(xiàn)象實時，既能滿足學(xué)生自主探究，又能進行教學(xué)演示的多功能儀器的改進設(shè)計研究目標(biāo)，以增強課堂教學(xué)效果和提高教學(xué)質(zhì)量。本研究采用現(xiàn)代傳感器、電子通信、單片機應(yīng)用、自動控制等技術(shù)與物理測量技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計理念，通過實驗研究形成能直接運用于高中物理課堂教學(xué)的新型物理儀器。

一、 傳統(tǒng)“力的合成與分解”實驗裝置及主要問題

1. 常見實驗測量組合結(jié)構(gòu)1

這類測量主要由方木板、白紙、圖釘、橡皮條、測力計（3個）、細(xì)線、直尺和三角板組成（如圖1）。先將白紙用圖釘固定在方木板上；橡皮筋一端用圖釘固定在白紙上，另一端拴上兩根細(xì)繩套。再用兩只測力計沿不同方向拉細(xì)繩套，記下橡皮筋伸長到的位置O，兩只測力計的方向及讀數(shù)F1、F2，作出兩個力的圖示，再用一只測力計拉細(xì)繩套，使橡皮筋伸長到位置O，實現(xiàn)力的等效替換，并作出合力的圖示。以兩個分力為鄰邊作平行四邊形，畫出對角線。最后比較這條對角線和表示合力的這條矢量線的位置關(guān)系（長短和方向），歸納出平行四邊形法則。

用這種方法存在以下幾個明顯的問題：（1）只能在桌面操作，教師演示過程中不能讓全體學(xué)生都看到實驗過程，在畫圖過程中老師無法獨立一個人完成實驗，不利于課堂教學(xué)，實驗效率極低。（2）使用傳統(tǒng)測力計讀數(shù)誤差很大。（3）力的之間的夾角由量角器量出，由于線的位置不容易穩(wěn)定，再加上用量角器測量也存在很大的誤差，不符合物理實驗要求嚴(yán)謹(jǐn)性。

2. 常見實驗測量組合結(jié)構(gòu)2

這類測量主要用厚度約3 cm，長、寬均為50 cm×45 cm的軟質(zhì)木板，掛鉤，同型號輕質(zhì)滑輪，尺寸合適的鐵釘（或粗針頭），細(xì)線，砝碼等器材組成。（如圖2）

選一塊厚度約3 cm，長、寬均為50 cm×45 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。選同型號輕質(zhì)滑輪，以尺寸合適的鐵釘（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。從一個節(jié)點出發(fā)，引出兩根或三根細(xì)線，繞過預(yù)設(shè)的定滑輪并懸掛適當(dāng)質(zhì)量的砝碼，即可進行力的合成與分解的實驗演示。

演示時，各個力的大小由砝碼重力即可得出，力的之間的夾角由量角器量出，可通過列表格的方式，讓學(xué)生比較F2的大小與F3，F(xiàn)4合成的結(jié)果，驗證力的平行四邊形法則。同時，通過反復(fù)演示，可證實給定二個力的合力是唯一確定的，而同一個力分解為兩個力時，可有無窮多種分法。至于多個力的合成與力的多向分解，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。

較上種方法而言，這種方法在黑板上操作，讓學(xué)生清楚觀察到實驗過程，但還是存在以下問題：（1）實驗器材安裝很困難，定滑輪在豎直木板上難以固定，在改變力的大小時需要同時改變各個滑輪的位置，實驗操作困難，影響實驗的正常進行。（2）實驗中用鉤碼加力，每次都是增減50 g，不能使力的大小連續(xù)變化，不能驗證平行四邊形法則具有普遍性。（3）力的之間的夾角由量角器量出，由于線的位置不容易穩(wěn)定，再加上用量角器存在很大的誤差，實驗效果不好。

3. J2152力的合成分解演示器

實驗裝置如圖3所示。本實驗演示器按事先選定的分力夾角和分力大小，調(diào)整位置和選配鉤碼個數(shù)；把匯力環(huán)上部連接的測力計由引力器拉引來調(diào)節(jié)角度，并調(diào)節(jié)拉引力距離，使匯力環(huán)懸空，目測與坐標(biāo)盤同心；調(diào)整滑輪夾的位置將鉤碼固定位置；此時鉤碼的重力就是分力的大小，測力計的讀數(shù)就是合力的大??；分力之間的夾角直接觀測分度盤即可，調(diào)整平行四邊形重合實驗所形成四邊形，用緊固螺母壓緊，學(xué)生可直觀地在演示器上看出矢量作圖改變分力夾角，重做上面的實驗。實驗結(jié)論：此時測力計的讀數(shù)就是合力的大??；分力夾角越小合力越大，分力夾角趨于180°時合力趨近零。

較前兩種方法，這種方法采用了讀角度的刻度盤，讓學(xué)生可以直觀得出角度的大小，但還是有以下缺陷：（1）表盤的凹槽只能進行90°旋轉(zhuǎn)，具有局限性。（2）表盤上的刻度太粗略，平行四邊形有一定寬度，導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。（3）使用傳統(tǒng)的彈簧測力計導(dǎo)致讀數(shù)誤差大。（4）滑輪與軸的摩擦較大，測力誤差大。

總之，傳統(tǒng)實驗裝置存在著測力、測角度誤差大，演示時學(xué)生不能觀察到力的示數(shù)、操作不便等問題，針對這些問題，課題組對實驗裝置做了改進。

二、 新型力的合成與分解演示儀設(shè)計

1. 實驗基本原理和裝置

設(shè)計的關(guān)鍵在于提高實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實驗器教具的操作性：（1）使用了可360°旋轉(zhuǎn)的較高精度的角度刻尺，在采集數(shù)據(jù)時，將0刻度可與任何一個力方向?qū)R，很方便讀取兩個力之間的夾角數(shù)據(jù)。（2）設(shè)計了3個可以在力平面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)的拉線滑輪系統(tǒng)，拉力作用線可以自由旋轉(zhuǎn)，連續(xù)變換角度，體現(xiàn)實驗條件的普遍性。（3）輕質(zhì)滾珠滑輪和細(xì)線結(jié)合，減小摩擦力，提高實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。（4）選用較高精度的電子測力計取代彈簧測力計，提高精度、方便讀數(shù)。（5）在金屬表盤下方固定了強力磁鐵，在驗證平行四邊形作圖時，用幾個小銣磁鐵即可方便地固定白紙的位置；（6）實驗臺上方固定一個攝像頭，拍攝測力計的讀數(shù)和實驗操作過程，并將視頻數(shù)據(jù)用藍(lán)牙技術(shù)直接傳送給計算機，通過多媒體投影到屏幕上。改進后的實驗裝置設(shè)計如圖4所示。

2. 改進的力的合成與分解實驗操作步驟

（1） 探究平行四邊形法則

①固定底座螺母，使儀器處于水平狀態(tài)。

②開啟攝像頭，完成與計算機的藍(lán)牙連接，調(diào)整攝像頭焦距，在屏幕上出現(xiàn)清晰、大小適中的畫面。

③調(diào)節(jié)主軸法蘭盤位置，控制三個可旋轉(zhuǎn)支架的高度，使三根繩子在同一平面內(nèi)。

④用磁鐵將白紙固定在金屬板上；從一個節(jié)點出發(fā)，引出兩根或三根細(xì)線，在一根細(xì)線上懸掛一橡皮筋，并將其固定在測合力的支架上，將另外兩根繩子穿過定滑輪，分別拴上繩套。

⑤用兩只測力計沿不同方向拉細(xì)繩套，記下橡皮筋伸長到的位置O，兩只測力計的方向及讀數(shù)F1、F2，作出兩個力的圖示，再用一只測力計拉細(xì)繩套，使橡皮筋伸長到位置O，實現(xiàn)力的等效替換，并作出合力的圖示。以兩個分力為鄰邊作平行四邊形，畫出對角線。最后比較這條對角線和表示合力的這條矢量線的位置關(guān)系（長短和方向），歸納出平行四邊形法則。

⑥改變F1和F2的大小和方向，重做以上實驗，將結(jié)果填入表格中。

（2） 力的分解實驗

①固定底座螺母，使儀器處于水平狀態(tài)。

②開啟攝像頭，完成與計算機的藍(lán)牙連接，調(diào)整攝像頭焦距，在屏幕上出現(xiàn)清晰、大小適中的畫面。

③調(diào)節(jié)主軸法蘭盤位置，控制三個可旋轉(zhuǎn)支架的高度，使三根繩子在同一平面內(nèi)。

④從一個節(jié)點出發(fā)，引出兩根或三根細(xì)線，在一根細(xì)線上懸掛一電子測力計，并將其固定在測合力的轉(zhuǎn)軸上，將另外兩根繩子穿過定滑輪，分別拴上繩套，在繩套末端掛上鉤碼。

⑤旋轉(zhuǎn)分力所在轉(zhuǎn)軸，使匯力環(huán)中心在中心紅色指示物處。

⑥此時測力計的示數(shù)即合力大小，鉤碼的重力就是分力的大小。任意分力的夾角，轉(zhuǎn)動合力支架使匯力環(huán)位于中心標(biāo)記處，測出力的大小和相互之間的夾角，可以得出矢量和總是為零。

本實驗裝置已在本地的部分高中試用，取得了明顯教學(xué)效果，老師們反映，整個實驗過程和實驗數(shù)據(jù)都清晰明了地投影在屏幕上，學(xué)生觀察得很清楚，老師操作很輕松，實現(xiàn)了教學(xué)效果和效率的提高。endprint