力的動態(tài)變化演示裝置

謝春君

（上海市宜川中學，上海 200065）

1 引言

雖然靜力學的動態(tài)變化問題有趣迷人，如若缺乏刻畫此類問題的方法和手段，學生就會糾結(jié)在左腦邏輯分析與右腦形象思維的能耗競爭漩渦之中，竟而誤入臨淵慕魚的尷尬境界.

遵從腦手結(jié)合，演示實驗的直觀教學通則，我針對典型的力學問題（細繩、輕桿和斜面擋板），設計了一種結(jié)果軌跡屏顯的演示裝置，其利用DIS（Digital Information System）實驗系統(tǒng)的基礎模塊，開發(fā)出表征動態(tài)力的系列演示實驗，藉此沖擊學生的并行視覺神經(jīng)，使之結(jié)合傳統(tǒng)板書的串行力學分解信息，盡快理解與掌握此類有趣的問題.

首先概要裝置特點，接著詳解細繩力學的動態(tài)分析趣例.

2 裝置簡介

結(jié)構如圖1，長約90cm的底座上安裝2個鐵架臺，一個在一端固定，另一個可在平臺上滑動，平臺上方安裝一個水平儀，平臺底下安裝4個底腳，可調(diào)裝置水平（圖1中：A底座，B固定鐵架臺，C可動鐵架臺，D水平儀）.在2個鐵架臺的金屬桿上安裝若干多功能轉(zhuǎn)換接頭，可安裝各類配套的儀器裝置，即可完成相應實驗.

圖1 裝置圖

配套儀器設備（1～5標號參見圖1）：① 電機：牽引轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動；② 多項轉(zhuǎn)接頭：用于在金屬桿上安裝配套設備；③ 轉(zhuǎn)臂：帶動細線或輕桿轉(zhuǎn)動；④ 重物：研究對象；⑤ 力傳感器及DIS實驗系統(tǒng)；⑥ 支架：研究三角形支架受力問題；⑦ 滑輪及帶掛鉤的細線.

此裝置配合DIS實驗系統(tǒng)，可完成高中物理中力學的多個微小實驗.

3 細繩的動態(tài)變化趣例

問題提出：如圖2，保持系住重物m的繩子AB與豎直方向的夾角θ不變，重物靜止，拉住重物的BC繩由水平方向開始向上逐漸轉(zhuǎn)到豎直的過程中，AB繩的張力大小將 _______，BC繩的張力大小將________.

圖2

實驗制作：利用DIS中的力傳感器，通過電腦直觀顯示兩力大小的動態(tài)變化過程.

（1）繩端A接在圖1中固定鐵架臺上面的力傳感器，細繩C系在圖1中轉(zhuǎn)臂上的力傳感器的掛鉤上.

（2）兩個力傳感器通過數(shù)據(jù)采集器與計算機連接.

（3）實現(xiàn)B點不動且C繩可轉(zhuǎn)動的關鍵：設計一轉(zhuǎn)臂（圖1）.

（4）為提高轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性，設計一牽引裝置.圖1中，牽引電機拉動轉(zhuǎn)臂帶動C繩轉(zhuǎn)動.

演示觀察：點擊DIS6.8的通用軟件，開始實驗.

（1）不掛重物，點擊調(diào)零軟按鈕，2個傳感器示數(shù)為0，完成傳感器調(diào)零步驟.

（2）點擊示波軟按鍵，開始實驗.

（3）按動電機遙控按鈕，轉(zhuǎn)臂帶動C繩由水平平滑轉(zhuǎn)到豎直，計算機屏幕實時顯示出兩力傳感器示數(shù)的變化過程，圖像（結(jié)果）如圖3所示.

圖3 實驗結(jié)果

原理分析：由圖3可知：當BC繩由水平轉(zhuǎn)到豎直過程中，AB繩的拉力始終變小［圖線（a）所示］，BC繩上的力先變小后變大［圖線（b）所示］.

圖4 受力分析

圖5 矢量三角形

4 評價反思

（1）實驗效果如何，直接受到底座水平度的影響，A、C細線及重物一定置于同一豎直平面內(nèi).

（2）傳感器掛鉤與細線一定要共線，且要精細調(diào)零.

（3）起始角度θ不同，顯示規(guī)律也有差異，上述原理中只給出其中一種情況.

（4）學生根據(jù)畫矢量三角形或平衡的方法求解，再結(jié)合力的動態(tài)變化數(shù)顯演示裝置實際觀察，理論與實驗相結(jié)合，必能真正體驗其動態(tài)變化過程之奧妙.