“力的合成”演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

嚴(yán)慧潔 陳曉霞

(無錫市第三高級中學(xué) 江蘇 無錫 214028)

力的合成實(shí)驗(yàn)是高中物理力學(xué)部分的一個(gè)重要演示實(shí)驗(yàn)，是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中第一次接觸到矢量運(yùn)算法則，所以演示實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵應(yīng)在于如何讓學(xué)生在觀察中切身體會到其中不一樣的運(yùn)算法則，在體驗(yàn)的基礎(chǔ)上師生共同得出力的平行四邊形定則，而不是直接將平行四邊形定則當(dāng)作結(jié)論傳授或者驗(yàn)證.在實(shí)際教學(xué)中筆者也進(jìn)行了各種演示方法研究.

演示方法一：利用力的合成和分解的演示儀

(圖1).

圖1

這種演示儀學(xué)校一般都會配備，使用方便，實(shí)驗(yàn)速度快、效率高.所以也為大多數(shù)教師所采用，但是該實(shí)驗(yàn)裝置有兩大弊端.

(1)力的取值不能連續(xù)變化

實(shí)驗(yàn)中采取鉤碼施力的方式, 所掛鉤碼總重力的值不能連續(xù)變化, 這使得橡皮條每次所受拉力的值也不能連續(xù)變化.

(2)彈簧測力計(jì)處于固定的豎直狀態(tài)，且為了讀取兩分力張角大小，細(xì)線結(jié)點(diǎn)必須在演示儀圓盤的圓心位置，這就使得教師只能預(yù)先設(shè)計(jì)一些特殊的情況進(jìn)行演示.

以上兩大弊端導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法隨意改變力的大小和方向，使學(xué)生對平行四邊形定則成立的普遍性有很大質(zhì)疑；甚至有學(xué)生會認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是巧合，實(shí)驗(yàn)說服力大大降低.還有一些學(xué)生甚至課后反映覺得實(shí)驗(yàn)過程太快，還沒思考明白實(shí)驗(yàn)演示就結(jié)束了，最終只是強(qiáng)行將平行四邊形定則記憶而已.

多次實(shí)驗(yàn)之后筆者認(rèn)為這種演示方法雖然方便快捷，但實(shí)際學(xué)生對知識的理解程度大打折扣，所以之后改換了實(shí)驗(yàn)方法.

演示方法二：將學(xué)生實(shí)驗(yàn)搬上黑板.

學(xué)生在進(jìn)行教材中的“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的分組實(shí)驗(yàn)中，效果是比較好的，而且也沒有演示儀的弊端，但該實(shí)驗(yàn)為水平面上進(jìn)行，在課堂演示不利于學(xué)生觀察，所以實(shí)際教學(xué)中在豎直平面黑板平面內(nèi)進(jìn)行演示，并且稍作改變，變“驗(yàn)證”為“探究”,具體步驟如下.

(1)如圖2所示，在黑板上方緊靠上邊緣適當(dāng)位置釘上小鐵釘， 小鐵釘上系一適當(dāng)長度的細(xì)線，下方系上橡皮條， 橡皮條另一端再系上兩個(gè)細(xì)繩套.

圖2

(2)請兩位學(xué)生上講臺用兩只彈簧測力計(jì)分別勾住兩只細(xì)繩套， 沿黑板平面互成角度地拉橡皮條， 使橡皮條與細(xì)繩套的結(jié)點(diǎn)到達(dá)某任意恰當(dāng)位置O點(diǎn)，由教師在黑板上用粉筆記下O點(diǎn)位置和拉力F1,F2的大小、方向.該步驟中一定要注意,要求兩位學(xué)生在拉住彈簧測力計(jì)的過程中不得隨意改變，防止教師記錄數(shù)據(jù)過程中力的大小、方向發(fā)生改變.

(3)學(xué)生根據(jù)合力的定義思考如何得到F1，F(xiàn)2的合力.

(4)請另一位學(xué)生只用一只彈簧測力計(jì)鉤住一只細(xì)繩套沿黑板平面拉橡皮條，使結(jié)點(diǎn)再次達(dá)到同一O點(diǎn)位置，教師記下F的大小、方向.

(5)再請一位學(xué)生，選取恰當(dāng)標(biāo)度，在黑板上按所記錄的F1,F2，F(xiàn)的大小、方向作出F1,F2，F(xiàn)的力的圖示.

(6)學(xué)生觀察并討論F1,F2,F之間的可能關(guān)系.

(7)以F1,F2為鄰邊作平行四邊形，再作出這組鄰邊之間的對角線F′，觀察F與F′之間的關(guān)系.

(8)改變F1,F2大小、方向,改變O點(diǎn)位置,重復(fù)上述步驟反復(fù)實(shí)驗(yàn).

(9)師生共同得出結(jié)論: 如果用表示兩個(gè)共點(diǎn)力F1,F2的線段為鄰邊作平行四邊形，則合力F的大小、方向可以用這兩個(gè)鄰邊之間的對角線表示出來.

采取這種演示方法的好處：

(1)實(shí)驗(yàn)中各力大小可取連續(xù)值，各力方向可任意變化，使平行四邊行定則的得出更具普遍性，促進(jìn)了學(xué)生對概念的正確理解和掌握.

(2)師生互動，邊實(shí)驗(yàn)邊思考，課堂氣氛活躍，雖實(shí)驗(yàn)時(shí)間長了，但學(xué)生對概念的理解更深刻了.

當(dāng)然在多次教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)該方法也有一定弊端即讓學(xué)生協(xié)助實(shí)驗(yàn)雖然能增加互動，但參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生容易遮擋住教室中大部分學(xué)生的視線，特別是在步驟(2)中.并且實(shí)驗(yàn)中教師在記錄數(shù)據(jù)的一段時(shí)間內(nèi)，學(xué)生手中的彈簧測力計(jì)不能很好地保持固定不動，從而導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)誤差較大.但是沒有學(xué)生的協(xié)助，教師一人既拉住彈簧測力計(jì)同時(shí)又要記錄數(shù)據(jù)，無法完成實(shí)驗(yàn).

于是筆者再次對該演示方法進(jìn)行了小的改進(jìn)，在超市里買兩個(gè)帶吸盤的掛物鉤(如圖3)，要挑選鉤子是不銹鋼材質(zhì)的，這樣鉤子部分的摩擦力比較小，不會造成太大誤差.在原實(shí)驗(yàn)的細(xì)繩套上栓兩條細(xì)線，掛在吸盤鉤上，彈簧測力計(jì)下方可以懸掛重物施力，比如沙桶等(如圖4)，改變沙桶質(zhì)量就可以改變力的大小，改變吸盤鉤的位置就可以改變力的方向.這樣改進(jìn)之后教師就可以從容地記錄數(shù)據(jù)了，雖然少了學(xué)生參與，但是學(xué)生觀察得更清楚.黑板上方如果不方便釘小鐵釘也可以用一個(gè)吸盤鉤吸附在黑板上代替.

圖3

圖4

實(shí)際進(jìn)行教學(xué)之后發(fā)現(xiàn)，采用這種實(shí)驗(yàn)方法，演示效果非常好，雖然演示時(shí)間長了，但每一步都可以讓學(xué)生參與觀察并思考，逐步由他們推導(dǎo)出平行四邊形定則，并且對合力和分力的“等效”概念也有比較深刻的理解.

實(shí)踐證明，演示實(shí)驗(yàn)的儀器并不是越高級越精密越好，有些生活中的小玩意兒也能巧妙用到物理課堂中.另外演示實(shí)驗(yàn)的目的在于如何通過實(shí)驗(yàn)與觀察讓學(xué)生更好地理解知識點(diǎn)，達(dá)到更好的教學(xué)效果，而不是為演示而演示，演示成功了也不代表教學(xué)就成功了，如何發(fā)揮課堂演示實(shí)驗(yàn)最有效的教學(xué)效果才是教師平時(shí)應(yīng)該多思考的.