張紹才 閆迎利

河南省安陽市殷都區(qū)第二高級中學(xué)(455136) 河南省安陽市殷都區(qū)明德高級中學(xué)(455136)

高中物理教材中力的合成與分解是一個重要內(nèi)容,新課標要求通過實驗使學(xué)生理解力的合成與分解,用力的合成與分解分析日常生活中的問題。本實驗儀的關(guān)鍵是讓學(xué)生通過實驗,總結(jié)出力的合成法則即平行四邊形法則。對實驗過程的操作將直接影響著學(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,本實驗儀操作簡便、實驗誤差較小、觀測實驗現(xiàn)象實時,既能用作課堂教學(xué)演示裝置,又可以作為學(xué)生自主探究實驗裝置使用。本實驗儀解決了任意角度力的合成與分解的實驗問題,使學(xué)生通過實驗?zāi)芎芎玫卣莆樟Φ暮铣膳c分解法則——平行四邊形法則。

1 實驗儀的結(jié)構(gòu)

任意角度力的合成實驗儀如圖1所示。

圖1 任意角度力的合成實驗儀

1.1 儀器框架

儀器框架由鐵板和木條等組成。木條固定在鐵板四邊,木條厚度2 cm,長度和寬度可根據(jù)背面鐵板大小來確定。

1.2 核心部件——強磁鏡角器

用于測量作用力之間夾角大小的實驗裝置。核心部件是在一圓形平面鏡的鏡面上附著一360°量角器(或稱全圓儀),在鏡面的背面粘貼一強磁體,使強磁鏡角器能吸附在實驗框架的鐵板上。強磁鏡角器的總厚度小于2 cm為好。強磁鏡角器的鏡面中心標記一圓點,作為作用力等效點,大小見后述等效環(huán)大小。

1.3 附件

3條細線(輕質(zhì)、不易拉伸變形)一端拴在輕質(zhì)小圓鐵環(huán)上;另一端:1條拴在橡皮條(或彈簧)上,其余2條細線分別拴在彈簧測力計1、2上(如圖2所示),小圓鐵環(huán)作為橡皮筋(或彈簧)被拉伸長的等效點標記圓環(huán)。

圖2 裝置附件

2 實驗操作步驟

(1)把強磁鏡角器放在鐵板上,中心有一與小圓鐵環(huán)大小一樣的彩色標記。該標記將作為力的等效點。

(2)將與細線固定的橡皮筋(或彈簧)的另一端固定在木條上(離木條的高度與彈簧測力計厚度有關(guān))。

(3)用一彈簧測力計拉伸橡皮筋(或彈簧)至某一位置,然后移動強磁鏡角器使其中心標記點務(wù)必與輕質(zhì)小圓環(huán)(作為等效點標記圓環(huán))在鏡中的像重合。旋轉(zhuǎn)全角儀,使該伸長橡皮筋(或彈簧)的細線在鏡中的像與全角儀的0刻度線重合。其中,細線的方向就是力的方向。力的大小記作F。

(4)撤掉步驟(3)中彈簧測力計。

(5)讓一學(xué)生拿著彈簧測力計1,另一學(xué)生拿著彈簧測力計2。然后分別拉伸2個彈簧測力計,使這次的輕質(zhì)小圓環(huán)落在步驟(3)中等效點標記圓環(huán)位置。力的大小分別記作F1、F2。

(6)用互成角度的2個彈簧測力計拉伸橡皮筋(或彈簧)的小圓環(huán)在強磁鏡角器平面鏡中的像與步驟(3)中的等效點的位置重合。則這2個彈簧測力計的讀數(shù)就是步驟(3)中力的分力。2個彈簧測力計的角度可以通過2個彈簧測力計上的細線在強磁鏡角器中的平面鏡中所成像的夾角直接讀出。所有學(xué)生可以通過彈簧測力計讀數(shù)記錄分力的大小、分力之間的夾角等數(shù)據(jù),按照力的圖示要求作出各力,再運用幾何方法作出力的平行四邊形來驗證力的合成法則。作出力的圖示時,比例可以適當(dāng)大一些,使圖示清晰明了。

(7)改變2個彈簧測力計的角度,重復(fù)上述實驗步驟,可以得到另一組實驗數(shù)據(jù),進一步驗證力的合成法則。

3 實驗儀的特點

(1)準確度高。通過等效點標記圓環(huán)與平面鏡中的像重合、彈簧測力計連接的細線與其在平面鏡中的像重合來讀角度數(shù)據(jù)。兩者可以減小讀數(shù)造成的誤差,提高實驗的準確度。

(2)重復(fù)性好。實驗中各力大小、方向均可變化,從而得到多次實驗數(shù)據(jù),使平行四邊形定則的得出更具普遍性,促進學(xué)生對力的合成的理解和掌握。

(3)裝置穩(wěn)定。降低實驗操作難度,確保力的大小、方向的準確性,為作正確力的圖示奠定了良好基礎(chǔ)。

(4)普適性。該教具既可以豎直放置也可以水平放置,既可以作為力的合成演示實驗教具使用也可以作為學(xué)生力的合成實驗儀使用。