自制“共點(diǎn)力平衡條件、力的合成法則”探究儀

李立朋

（惠州市小金口中學(xué)，廣東 惠州516023）

1 引 言

研究共點(diǎn)力平衡條件，通常選擇三力平衡，傳統(tǒng)方法需要測(cè)出各力大小和方向，然后作出各力的圖示，由于力的測(cè)量誤差較大，力的圖示不準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)不理想，說服力不強(qiáng)，學(xué)生疑問很多.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性是教師和學(xué)生們最想突破的問題，本儀器用彈簧伸長長度表示力，利用圓框線夾固定各拉力，結(jié)果準(zhǔn)確，操作方便，適合學(xué)生利用本儀器自主探究三力平衡條件，驗(yàn)證力的平行四邊形定則.

2 原 理

共點(diǎn)力作用下物體平衡條件為合力為零，如受三力作用，有推論任意兩力合力與第三個(gè)力等值反向，可借助力的圖示進(jìn)行研究.

對(duì)彈簧，在彈性限度內(nèi)，彈簧伸長與彈力成正比，勁度系數(shù)相同的彈簧，各彈簧受力與其伸長成正比.本實(shí)驗(yàn)中，小圓環(huán)片受3個(gè)彈簧拉力作用處于平衡狀態(tài)，以彈簧伸長的長度作為該力圖示線段長度，測(cè)出每條彈簧伸長的長度，并確定拉力的方向，作出3個(gè)彈簧拉力的圖示，即可探究小圓環(huán)片靜止時(shí)受力平衡條件，驗(yàn)證力的平行四邊形定則.

3 儀器設(shè)計(jì)及使用方法

演示儀實(shí)物圖如圖示1所示，由3條完全相同的彈簧、小圓環(huán)片、指示標(biāo)志、拉力固定圓環(huán)（半徑17.0cm）、指示標(biāo)志等構(gòu)成.

圖1 演示儀實(shí)物圖

使用方法：

1）確定半徑在A3紙上畫圓.如圖2所示，將兩彈簧對(duì)拉后自然伸直對(duì)接放在1張A3紙上，2個(gè)指示標(biāo)志間距離即為圓直徑D.在紙中心定好圓心O，畫一直徑為D的圓.2）小圓環(huán)片受彈簧拉力時(shí)，測(cè)量彈簧伸長長度和方向，在A3紙上做好記錄.

圖2 彈簧自然伸直狀態(tài)下確定直徑

如圖3，小圓環(huán)片在三彈簧彈力作用下處于平衡，移動(dòng)探究儀與A3紙相對(duì)位置，使小圓環(huán)片的圓心與白紙中心重合，這時(shí)在白紙上記下各條彈簧指示標(biāo)志位置A，B，C及標(biāo)示細(xì)繩拉力方向A1，B1，C1.移開探究儀（不要改變探究儀彈簧彈力，后面誤差檢查要用），直線連結(jié)OAA1，OBB1，OCC1，與圓相交D，E，G，則3條彈簧伸長長度分別為DA，EB，GC，如圖4（說明：為使作圖更準(zhǔn)確，各拉力大小確定分別用了A，B，C三個(gè)點(diǎn)，方向確定分別用了A1，B1，C1三個(gè)點(diǎn)）

圖3 彈簧處于平衡狀態(tài)

3）作出小圓環(huán)片受拉力的圖示，找出三力平衡條件.

分別在OA，OB，OC三條直線上作出三彈力的圖示F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，利用平行四邊形定則求出任兩力的合力，比較這個(gè)合力與第三個(gè)力的關(guān)系，探究3個(gè)共點(diǎn)力作用下物體平衡條件：任兩力合力與第三個(gè)力等值反向，驗(yàn)證力的平行四邊形定則，如圖4所示.

圖4 受力分析

4）分析誤差來源，對(duì)作圖修正.

將剛才移開的探究儀放在作好各力的圖示的A3紙上，移動(dòng)探究儀位置，使圓心及各力一一對(duì)應(yīng)再次重合，檢驗(yàn)作圖誤差，分析誤差來源，如圖5所示.

圖5 誤差分析

5）改變拉力大小及方向，重做實(shí)驗(yàn).

結(jié)論：物體在3個(gè)共點(diǎn)力作用下平衡條件為任意兩力合力與第三個(gè)力等值反向，力的合成遵循平行四邊形定則.

本儀器直接用彈簧伸長長度表示該力圖示線段長度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，操作方法簡單，與傳統(tǒng)方法比較，這一方法降低了實(shí)驗(yàn)難度，同時(shí)也減小了實(shí)驗(yàn)誤差.

采用拉力固定圓環(huán)拉彈簧，降低了實(shí)驗(yàn)操作難度，同時(shí)也使小圓環(huán)受彈簧拉力得以保留，為后來作圖誤差校驗(yàn)提供保證.

在進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，儀器要在水平面上操作，彈簧設(shè)計(jì)略高于紙面，這樣可以消除摩擦力影響而又方便操作，彈簧自身重力對(duì)3個(gè)彈簧彈力產(chǎn)生影響相近，這樣可以不用考慮彈簧自身重力.

注意事項(xiàng)：

1）彈簧校驗(yàn)：將兩彈簧對(duì)拉，要求兩彈簧伸長長度相等.如不等，可通過調(diào)節(jié)三角片位置，直到對(duì)拉時(shí)兩彈簧伸長量相等.

2）為減小實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)時(shí)注意拉力要大些，但不要超過彈簧的彈性限度，削尖鉛筆作圖有利減少誤差.

3）保持環(huán)境干燥，勿與酸堿物接觸，以免銹蝕彈簧和固定圓環(huán).

4 結(jié)束語

在講授共點(diǎn)力平衡條件這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)，用本儀器讓學(xué)生進(jìn)行探究，分組實(shí)驗(yàn)2人1組，效果很好，在介紹了儀器的原理和使用方法后，學(xué)生開始實(shí)驗(yàn)，10min后，三力平衡圖示結(jié)果已得出，學(xué)生有讓教師過去肯定結(jié)果的，有不同組間誤差比較誰更準(zhǔn)確的，有重新校驗(yàn)找尋作圖誤差的，有改變拉力大小和方向重新實(shí)驗(yàn)的，有不同組間進(jìn)行交流的……，整節(jié)課研究氣氛活躍，本節(jié)課的知識(shí)內(nèi)容借助實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生很好地掌握了.顯然，學(xué)生在討論實(shí)驗(yàn)誤差原因時(shí)，已經(jīng)自覺運(yùn)用力的合成知識(shí)分析討論，使所學(xué)知識(shí)得以升華.

［1］劉乃強(qiáng).力的合成演示儀［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2007，27（9）：23-24.