共點(diǎn)力平衡受力分析儀

張亦翻，黃悅微，溫建平,張靈輝

(1.廣東梅雁東山學(xué)校,廣東 梅州 514011;2.嘉應(yīng)學(xué)院,廣東 梅州 514015)

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共點(diǎn)力平衡受力分析儀

張亦翻1，黃悅微1，溫建平2,張靈輝2

(1.廣東梅雁東山學(xué)校,廣東 梅州 514011;2.嘉應(yīng)學(xué)院,廣東 梅州 514015)

對傳統(tǒng)共點(diǎn)力平衡實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行了改進(jìn)，添加了可以顯示力的徑跡、角度及三角函數(shù)值的自制刻度盤，使實(shí)驗(yàn)更加直觀。同時(shí)對實(shí)驗(yàn)裝置的收納等功能做了細(xì)致地設(shè)計(jì)，使儀器更加輕巧，方便攜帶.

共點(diǎn)力；力學(xué)平衡；三角函數(shù)

為了提高共點(diǎn)力平衡教學(xué)的質(zhì)量，讓學(xué)生通過自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論，筆者對傳統(tǒng)共點(diǎn)力平衡實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)并制作了刻度板，改進(jìn)后的裝置可顯示物體的受力情況和三角函數(shù)，實(shí)驗(yàn)過程簡單，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀.

1　共點(diǎn)力平衡受力分析儀的設(shè)計(jì)

共點(diǎn)力平衡受力分析儀的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，收納盒用于裝鉤碼，在實(shí)驗(yàn)過程中降低共點(diǎn)力平衡受力分析儀的重心，增加儀器的穩(wěn)固性. 支腿能改變刻度盤相對實(shí)驗(yàn)臺(tái)的高度，防止連接繩過長，使得鉤碼與水平面接觸. 刻度盤上刻有量角器及對應(yīng)的三角函數(shù)，方便實(shí)驗(yàn)者通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出結(jié)論. 導(dǎo)向定位孔為滾動(dòng)機(jī)構(gòu)提供相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌道，為實(shí)驗(yàn)過程刻度盤的兩側(cè)的力確定方向. 定位膠圈在實(shí)驗(yàn)時(shí)固定刻度板，合頁在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，使刻度板成為收納盒的蓋子，滾輪減小了連接繩與絲桿的摩擦力.

(a)正視圖

(b)側(cè)視圖圖1　共點(diǎn)力平衡受力分析儀結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)制作時(shí)首先收納盒底部設(shè)有可折疊隱藏的支腿,操作時(shí)為分析儀提供所需的高度，閑置時(shí)可節(jié)省空間；頂面及與其相鄰的一個(gè)側(cè)面配合形成刻度盤，在刻度盤上標(biāo)注有角度及對應(yīng)的三角函數(shù)值；收納盒的頂面與其相配合的側(cè)面通過合頁鉸接，使刻度盤在閑置時(shí)成為收納盒的蓋子，節(jié)省資源；在刻度盤的刻度兩側(cè)分別對稱設(shè)有圓弧形的導(dǎo)向定位孔，為各個(gè)力提供所需的方向；連接環(huán)位于刻度盤刻度的中心位置，輔助學(xué)生判斷多個(gè)力是否平衡. 支架由絲桿、 螺紋連接在絲桿上的2個(gè)定位片及設(shè)置在絲桿其中一端的操作耳構(gòu)成；絲桿穿設(shè)在導(dǎo)向定位孔內(nèi)并通過2個(gè)定位片夾緊固定在刻度盤上. 滾動(dòng)機(jī)構(gòu)由套設(shè)在絲桿上帶環(huán)形凹槽的滾輪及設(shè)置在滾輪和絲桿之間的軸承構(gòu)成，減少繩子與絲桿之間的摩擦力，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性. 在收納盒的頂面及相配合側(cè)面的兩側(cè)分別設(shè)有定位螺絲，在相對應(yīng)的定位螺絲之間設(shè)置有定位膠圈，使分析儀閑置時(shí)刻度盤與收納盒密閉.

共點(diǎn)力平衡的受力分析儀設(shè)有標(biāo)注有角度和三角函數(shù)值的刻度盤(如圖2所示)，刻度盤由同心圓組成，從里到外依次為“力的徑跡線”、“力的角度讀取盤”(兩圈)和“各個(gè)角度對應(yīng)的三角函數(shù)值”. 刻度盤的設(shè)計(jì)是 “三角函數(shù)值的分布圖”結(jié)合了“單位圓與三角函數(shù)的關(guān)系”(如圖3所示),可以在實(shí)驗(yàn)時(shí)直接求出水平方向和豎直方向的分力大小. 同時(shí)，通過設(shè)在刻度盤上的導(dǎo)向定位孔和設(shè)在導(dǎo)向定位孔內(nèi)可調(diào)節(jié)的支架相配合，在操作時(shí)，能夠方便地改變物體的受力角度，從而得到多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；通過第一連接繩、第二連接繩、砝碼和連接環(huán)配合，只需要觀察實(shí)驗(yàn)過程中砝碼的平衡狀態(tài)即可得出物體受力的狀況，減少了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備操作，降低了實(shí)驗(yàn)的繁瑣程度.

圖2　分析儀刻度盤實(shí)物圖

圖3　單位圓與三角函數(shù)的關(guān)系

2　共點(diǎn)力平衡受力分析儀的教學(xué)實(shí)踐

如圖4所示，圓環(huán)在3組鉤碼的拉力作用下靜止在刻度盤中央，試探究物體靜止的條件.

圖4　實(shí)驗(yàn)操作示意圖

圖5　力的合成圖

3　結(jié)束語

共點(diǎn)力平衡的條件為F合=0. 教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，教師的授課環(huán)節(jié)主要是運(yùn)用生活中與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的情景設(shè)計(jì)問題，設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)，組織教學(xué)內(nèi)容，提出有啟發(fā)性的引申問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生積極地參與到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)猜想、探究規(guī)律的學(xué)習(xí)當(dāng)中，通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，總結(jié)得出結(jié)論，并由生活實(shí)例分析、歸納出共點(diǎn)力平衡的條件. 整個(gè)教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)的操作不僅能更好地體現(xiàn)以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的教學(xué)理念，也能體現(xiàn)傳授物理方法的重要性. 共點(diǎn)力平衡受力分析儀能減少教師的備課工作量，有效地提高學(xué)生的感性記憶，還能使學(xué)科知識(shí)更容易與學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律相結(jié)合，讓學(xué)生容易把抽象的知識(shí)內(nèi)容轉(zhuǎn)化成自己的記憶儲(chǔ)存起來，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果.

[1]吳國盛. 科學(xué)的歷程[M]. 長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社,1995.

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[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Analyzerofthebalanceofconcurrentforce

ZHANGYi-fan1,HUANGYue-wei1,WENJian-ping2,ZHANGLing-hui2

(1.GuangdongMeiyanDongshanMiddleSchool,Meizhou514011,China;2.JiayingUniversity,Meizhou514015,China)

Traditionalexperimentaldeviceofdemonstratingthebalanceofconcurrentforcewasimproved.Adialwasusedtoshowthetrack,angleandtrigonometricfunctionoftheforce.Itmadetheexperimentmorevisual.Whilethestoragefunctionofthedevicewasdesignedmeticulously,itmadethedeviceeasytobehandled.

concurrentforce;equilibriumofforce;trigonometricfunction

2016-03-01

張亦翻(1989-),男,廣東梅州人,梅雁東山學(xué)校二級(jí)教師,學(xué)士,從事中學(xué)物理教育工作.

G633.7

A

1005-4642(2016)08-0042-03