自制“力學(xué)實(shí)驗(yàn)多功能演示儀”

王　旭　盧輝林

(江蘇省海安高級(jí)中學(xué),江蘇　南通　226600)

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自制“力學(xué)實(shí)驗(yàn)多功能演示儀”

王旭盧輝林

(江蘇省海安高級(jí)中學(xué),江蘇南通226600)

摘要：在力的合成與分解的教學(xué)中，存在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材精度差、實(shí)驗(yàn)效果不明顯的現(xiàn)象.本文從實(shí)驗(yàn)器材上進(jìn)行了改進(jìn)，通過自制“力學(xué)實(shí)驗(yàn)多功能演示儀”，配合Dislab力傳感器等器材,取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果.

關(guān)鍵詞：力學(xué)實(shí)驗(yàn)；演示儀;Dislab

傳統(tǒng)的力的合成與分解儀(如圖1、圖2)在做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)存在諸多問題,例如:用圖1的器材來演示力的合成實(shí)驗(yàn)時(shí)由于結(jié)點(diǎn)不固定,細(xì)線的角度較難測(cè)讀.再有所掛鉤碼個(gè)數(shù)只能是整數(shù)個(gè),學(xué)生總會(huì)有“說不清、道不明”的疑惑.而圖2的器材中,下面的兩個(gè)彈簧秤所測(cè)拉力由于受到彈簧秤自重的影響,讀數(shù)誤差較大.另外利用此裝置演示力的動(dòng)態(tài)變化時(shí),讀數(shù)時(shí)很難觀察到所有彈簧秤示數(shù)完整的變化情況.針對(duì)這些問題,筆者經(jīng)過改進(jìn),自制了一個(gè)“多功能力學(xué)演示儀”,現(xiàn)敘述如下.

1“多功能演示儀”實(shí)物圖及結(jié)構(gòu)

圖3為筆者自制的“力學(xué)實(shí)驗(yàn)多功能演示儀”，主要由3部分組成:(1) 自制不銹鋼支架和調(diào)平螺栓;(2) 刻度均勻的圓盤;(3) 兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臂(均帶圓柱和固定栓).

圖3

2“多功能演示儀”的輔助器材及實(shí)驗(yàn)演示說明

輔助實(shí)驗(yàn)器材:計(jì)算機(jī)一臺(tái),Dislab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套,鉤碼一盒(每個(gè)50g),細(xì)線若干,直尺一把,量角器一個(gè).用“多功能演示儀”配合以上的實(shí)驗(yàn)器材，可以進(jìn)行以下演示實(shí)驗(yàn).

2.1探究力的“平行四邊形定則”

該實(shí)驗(yàn)具體操作步驟如下:

(1) 利用六角螺絲栓將演示儀調(diào)平,在演示儀的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臂上分別固定一個(gè)力傳感器.

(2) 將Dislab數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連,在計(jì)算機(jī)上安裝Dislab實(shí)驗(yàn)軟件，打開“通用軟件”,首先進(jìn)行調(diào)零.

(3) 用三根不可伸長的細(xì)線打結(jié),注意將細(xì)線的結(jié)點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)演示儀的圓心,兩根細(xì)線鉤住力傳感器,另一根將鉤碼懸于豎直平面.

(4) 記下鉤碼的重力大小及兩個(gè)力傳感器的示數(shù),從圓盤上讀出兩細(xì)線與豎直方向的夾角,即記錄兩個(gè)拉力的方向.

(5) 利用直尺和量角器在黑板上用力的圖示法，分別作出兩個(gè)拉力及合力(鉤碼重力的平衡力).再以兩個(gè)拉力為鄰邊作平行四邊形,驗(yàn)證合力與平行四邊形的對(duì)角線是否重合.

(6) 調(diào)整兩個(gè)力傳感器的角度,重復(fù)以上步驟,獲取多組數(shù)據(jù)，進(jìn)行驗(yàn)證.

2.2演示力的動(dòng)態(tài)變化

以一道習(xí)題為例,用該演示儀來演示力的動(dòng)態(tài)變化.

例:如圖4所示,用兩根繩子OA和OB系住一重物,繩OA固定于A點(diǎn),手拉繩OB,使OB由水平位置逐漸轉(zhuǎn)到OB′方向,保持小球位置不變,在這個(gè)過程中,兩根繩受到的拉力變化情況是FOA___________,FOB___________.

這道題對(duì)于初學(xué)者來說具有較大的難度,即便是老師利用比較直觀的“動(dòng)態(tài)平行四邊形”(如圖5)進(jìn)行了詳細(xì)講解后,有些學(xué)生還是將信將疑.傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器誤差大、不直觀,利用改進(jìn)后的“多功能演示儀”和Dislab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以完成動(dòng)態(tài)的演示,并可將FOA、FOB的數(shù)據(jù)直接采集.另外Dislab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還可以將各個(gè)力的動(dòng)態(tài)變化情況以圖像的形式完整呈現(xiàn)出來,非常直觀.

該演示實(shí)驗(yàn)具體操作步驟和結(jié)果如下:

(1) 將演示儀調(diào)節(jié)水平,在演示儀的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臂上分別固定一個(gè)力傳感器并與計(jì)算機(jī)相連.

(2) 按圖4所示調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臂,左臂力傳感器所拉細(xì)線對(duì)應(yīng)繩OA,保持其固定.右臂力傳感器所拉細(xì)線對(duì)應(yīng)繩OB,且初始時(shí)調(diào)節(jié)細(xì)線至水平位置.將細(xì)線的結(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)到圓盤的圓心,向下方引出一根細(xì)線,并在豎直方向懸掛鉤碼(筆者做實(shí)驗(yàn)時(shí)掛了兩個(gè)50g的鉤碼).

(3) 打開Dislab實(shí)驗(yàn)軟件,點(diǎn)擊“通用軟件”,出現(xiàn)界面后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出兩個(gè)對(duì)話框,直接顯示出拉力FOA、FOB的大小.

(4) 保持左邊的旋臂不動(dòng),緩慢將右臂由B向B′轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)在紙上記錄下計(jì)算機(jī)所顯示的各組數(shù)據(jù).表1中的數(shù)據(jù)即為筆者利用此裝置采集的力的大小.

(5) 若要得到變化過程中力的圖像,需將右臂恢復(fù)到初始位置,點(diǎn)擊Dislab實(shí)驗(yàn)軟件工具欄中的“組合圖線”,添加x軸為時(shí)間,y軸分別為力F1(FOA)、F2(FOB),在對(duì)話框中的下拉菜單中選擇兩種不同的顏色作為力的標(biāo)記.

(6) 將右臂由OB位置逐漸轉(zhuǎn)至OB′位置,觀察圖像可以發(fā)現(xiàn):FOA由大漸漸變小,FOB先變小后變大(如圖6).

表1

圖6

3幾點(diǎn)注意事項(xiàng)及說明

(1) 利用該裝置完成以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)效果直接受到支架是否調(diào)節(jié)水平的影響.

(2) 實(shí)驗(yàn)時(shí)要確保各個(gè)力在豎直平面內(nèi),且細(xì)線的結(jié)點(diǎn)應(yīng)與圓盤圓心重合.

(3) 利用Dislab實(shí)驗(yàn)軟件采集數(shù)據(jù)時(shí)，要先調(diào)零再采集數(shù)據(jù).

(4) 該裝置成本低廉，安全耐用,配合力傳感器等器材可以完成多個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)精度高、演示效果好.