《力的合成》實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

李寬宏

[摘要]2016年12月第2版普通高中課程實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理必修1第三章中《力的合成》這一實(shí)驗(yàn)完成了從驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到探究性實(shí)驗(yàn)的質(zhì)變，在操作上也方便了不少，但仍存在一定的不足?；诖?，對(duì)《力的合成》的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，以解決相關(guān)問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞]力的合成 實(shí)驗(yàn)裝置 改進(jìn)

人民教育出版社2003年6月第一版2005年4月浙江第8次印刷《全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書(shū)（必修）物理第一冊(cè)》第一章第5節(jié)《力的合成》的演示實(shí)驗(yàn)是這樣完成的：“如圖所示，圖甲表示橡皮條GE在兩個(gè)力共同作用下，沿著直線(xiàn)GC伸長(zhǎng)了EO這樣的長(zhǎng)度。圖乙表示撤去F1和F2，用一個(gè)力F作用在橡皮條上，使橡皮條沿著相同的直線(xiàn)伸長(zhǎng)相同的長(zhǎng)度。力F對(duì)橡皮條產(chǎn)生的效果跟力F1和F2共同作用的效果相同，所以力F等于F1和F2的合力。在力F1和F2的方向上各作線(xiàn)段OA和OB，根據(jù)選定的標(biāo)度，使它們的長(zhǎng)度分別表示F1和F2的大小，如丙圖。以O(shè)A和OB為鄰邊作平行四邊形OACB。量出這個(gè)平行四邊形的對(duì)角線(xiàn)OC的長(zhǎng)度，可以看出，根據(jù)同樣的標(biāo)度，合力F的大小和方向可以用對(duì)角線(xiàn)OC表示出來(lái)。改變力的大小和方向，重做上述實(shí)驗(yàn)，可以得到同樣的結(jié)論?！备淖兞Φ拇笮『头较?，重做上述實(shí)驗(yàn)，說(shuō)起來(lái)容易，但做起來(lái)難。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)要先確定好0點(diǎn)的位置，再畫(huà)出水平線(xiàn)GC并確定中心滑輪的位置，一手握住橡皮條的左端，一手在中心滑輪右側(cè)掛5個(gè)鉤砝并確定E點(diǎn)和G點(diǎn)的位置，再用數(shù)學(xué)的方法先確定F1和F2的方向并確定安放上下滑輪的位置。這樣才能符合“3、4、5”的“勾股定理”關(guān)系。經(jīng)全國(guó)中小學(xué)教材委員會(huì)2004年初審?fù)ㄟ^(guò)的2006年12月第2版的普通高中課程實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理必修1第三章《4力的合成》中，演示實(shí)驗(yàn)改用兩個(gè)彈簧秤來(lái)完成，完成了從“驗(yàn)證性”實(shí)驗(yàn)到“探究性”實(shí)驗(yàn)的質(zhì)變，在操作性上也方便了不少。但這一改進(jìn)仍有不足之處，主要有三個(gè)方面：①?gòu)椈沙幼陨碇亓?duì)實(shí)驗(yàn)有一定的影響；②彈簧秤不便讀數(shù)，不適合演示；③需要兩人合作方可順利完成實(shí)驗(yàn)。

筆者利用裝置解決這些問(wèn)題。此裝置看似與上面的裝置沒(méi)多大區(qū)別，實(shí)則大不相同。首先，滑輪的位置是可以隨便安放而無(wú)須預(yù)先設(shè)定；其次，每個(gè)滑輪下面所掛鉤碼個(gè)數(shù)不必滿(mǎn)足“3、4、5”的特殊關(guān)系。

該裝置的優(yōu)點(diǎn)如下：①可操作性強(qiáng)，一個(gè)人即可完成。②可把實(shí)驗(yàn)“數(shù)據(jù)”長(zhǎng)時(shí)間定格在學(xué)生眼前，便于觀察，使物理“過(guò)程和方法”更加生動(dòng)有趣。③每一根細(xì)線(xiàn)下方可掛的鉤碼個(gè)數(shù)不是事先限定的，在一定的范圍內(nèi)隨意選取，還可以用不同級(jí)別的鉤碼搭配，說(shuō)明力的合成不限于特定值。④本裝置還可完成實(shí)驗(yàn)：a.通過(guò)改變每根細(xì)繩下面鉤砝的個(gè)數(shù)，找到合力與分力的大小關(guān)系，合力的范圍是|F1-F2|≤F≤|F1+F2|。b.探究：兩個(gè)分力分別是3N和4N，其合力是5N的情況有幾種？左邊一根細(xì)繩下掛3個(gè)鉤碼，右邊一根細(xì)繩下掛4個(gè)鉤碼，中間一根細(xì)繩下掛5個(gè)鉤碼時(shí)，不論用手把節(jié)點(diǎn)移到什么位置，松手后節(jié)點(diǎn)一定會(huì)“回”到“原來(lái)”的位置重新平衡，說(shuō)明分力的合成有唯一性。c.當(dāng)兩邊細(xì)繩下掛的鉤碼數(shù)不變而中間的細(xì)繩下掛的鉤碼數(shù)減少時(shí)，中間細(xì)繩上升，兩邊細(xì)繩間的夾角變大，可探究合力大小與分力間夾角的關(guān)系。d.將中間鉤碼豎直向下拉一段距離后自由釋放，可觀察到鉤碼上下振動(dòng)，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)都不是平衡位置，上上下下但最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的位置卻“從不改變”。可以讓學(xué)生初步感受能量守恒。這種上下振動(dòng)的情境對(duì)將來(lái)解決類(lèi)似情況的問(wèn)題會(huì)有很好的啟發(fā)作用。

當(dāng)然，這個(gè)裝置也還有不足之處，以?xún)蛇叺募?xì)繩的拉力作為分力，其合力是與中間鉤碼的重力相平衡的豎直向上的一個(gè)力，不能直接顯現(xiàn)。筆者先用兩枚大號(hào)的釘子直接釘在黑板上方代替滑輪做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，但由于阻力太大不能成功；后用初中科學(xué)課實(shí)驗(yàn)中的滑輪，較難固定，且阻力也很大。再用鋁合金推拉窗內(nèi)的滑輪，固定在一塊一米見(jiàn)方的木材上，效果較好，但懸掛困難，鉤砝容易與黑板下方的粉筆槽擦碰，影響實(shí)驗(yàn)演示；最后買(mǎi)來(lái)幾個(gè)小型帶軸承的專(zhuān)用滑輪固定在方木板上，在方木板背后安上幾只“腳”，使其離黑板平面一定距離且碰不到粉筆槽，從而獲得了較為理想的效果。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)中，筆者雖付出了一定的時(shí)間和精力，但是能讓課堂更加生動(dòng)有趣，使學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣更加高漲，使物理課成為學(xué)生的期待，讓學(xué)生有一個(gè)別樣的“過(guò)程與方法”。

（特約編輯 安平）