探究共點力合成規(guī)律實驗改進研究

楊佩霞 袁建平

摘 ? 要：采用可移動透明雙量程量角器及等高凹槽演示板，針對探究共點力合成規(guī)律實驗的常規(guī)實驗器材存在的缺點進行改進，從而減小實驗誤差，提高教學(xué)的有效性。

關(guān)鍵詞：共點力合成;實驗改進;等高凹槽演示板

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）5-0065-3

探究共點力合成規(guī)律實驗是高中物理課程的一個重要內(nèi)容。課標要求通過實驗探究，理解力的合成與分解，知道共點力的平衡條件，區(qū)分矢量與標量，用力的合成與分解分析日常生活中的問題。而傳統(tǒng)實驗器材卻在實驗精度和有效性上存在一定的問題，故針對該實驗的常規(guī)實驗器材存在的缺點進行改進，從而減小實驗誤差，提高教學(xué)的有效性。

1 ? ?常用探究共點力合成規(guī)律實驗存在的問題

對于教科版高中物理必修一中關(guān)于探究共點力合成規(guī)律的實驗，教師通過課堂教學(xué)的實踐，認為教材上的實驗設(shè)計存在幾個明顯的缺點：

1.學(xué)生第一次用一個力將橡皮筋拉到等效點和第二次用兩個分力將橡皮筋拉到等效點時，不能保證兩次實驗操作中的力處于同一平面，從而造成實驗誤差。

2.學(xué)生在實驗時如果使用圖釘對作圖紙進行固定，操作起來非常不方便，也不能快速固定好作圖紙，而且在實驗過程中有可能移動作圖紙，從而引起實驗誤差。

3.傳統(tǒng)實驗裝置不能驗證某些特殊角的力的合成。

以上實驗缺點會導(dǎo)致學(xué)生實驗操作過程中的體驗感差，實驗操作精度不高等問題，而且實驗結(jié)論不夠準確，嚴重挫傷學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2 ? ?實驗的創(chuàng)新改進

2.1 ? ?探究共點力合成規(guī)律實驗的改進思路

探究共點力合成規(guī)律實驗的創(chuàng)新改進是在長期一線教學(xué)過程中對教材上的實驗儀器和實驗過程進行仔細研究、認真對比的基礎(chǔ)上提出來的，主要是找出教材上的實驗儀器在實驗操作過程、實驗數(shù)據(jù)記錄、實驗數(shù)據(jù)處理等方面的問題，并針對這些問題進行創(chuàng)新改進。在探究共點力合成規(guī)律實驗的創(chuàng)新改進過程中，主要是優(yōu)化了器材的構(gòu)造，并在此基礎(chǔ)上改進器材操作流程和步驟，從而實現(xiàn)科學(xué)地采集數(shù)據(jù)，簡化了學(xué)生的實驗操作流程，最終減小實驗誤差，提高了物理實驗教學(xué)的質(zhì)量。

本研究創(chuàng)新地采用可移動透明雙量程量角器、等高凹槽演示板、強磁體、鐵板等器材，克服了上述實驗的不足。

2.2 ? ?改進后各器材的構(gòu)造及作用

1.等高凹槽演示板

（1）制作中間凹陷的演示板（如圖1所示）的目的是為了保證安放白紙、量角器后還能保證在同一平面上互成角度地拉細繩套，彌補了傳統(tǒng)學(xué)生實驗板不能夠保證兩次實驗操作的力在同一平面上的不足。

（2）凹槽背面鋪蓋薄鐵皮的目的是為了借助磁鐵和鐵皮的磁力固定量角器和作圖紙的位置，同時還可以非常容易地移動到任意合適的位置，這樣就克服了傳統(tǒng)實驗過程中作圖紙不易固定、容易移動的問題。

2.雙量程量角器

（1）量角器中心小孔方便用于確立等效點的位置（如圖2所示）。

（2）小圓圈的作用是讀出實驗中任意兩個分力的夾角;大圓圈的作用是探究互成30°、37°、45°、53°、60°、90°、120°等特殊角的二力合成，探究合力與分力在數(shù)學(xué)上的關(guān)系。

3.強磁鐵及鐵板

用于固定量角器、白紙的位置。

2.3 ? ?實驗操作過程

1.驗證任意角度力的平行四邊形定則

（1）用量角器和強磁鐵把白紙固定在水平方板凹槽上。（如圖3所示）

（2）兩個帶細繩的彈簧測力計互成角度地將橡皮條拉到雙量程量角器的中心位置O，記錄力的大小及拉力的方向。在本實驗步驟中注意以下兩點：①細繩要與儀器臺邊緣靠近但不緊貼，這樣做既保持了細繩與實驗板平面平行，又減小了細繩與儀器臺邊緣的摩擦力。②只用兩個彈簧測力計是因為本次實驗只需要測量兩個拉力的大小。（如圖4所示）

（3）再用彈簧測力計將同一橡皮條拉到等效點O點。在本實驗步驟中注意以下兩點：①細繩要與儀器臺邊緣靠近但不緊貼，這樣做既保持了細繩與實驗板平面平行，又減小了細繩與儀器臺邊緣的摩擦力。②只用一個彈簧測力計是因為本次實驗只需要測量一個拉力的大小。（如圖5所示）

（4） 根據(jù)步驟（2）的實驗結(jié)果，順著兩條細繩的方向畫出對應(yīng)力的圖示F1和F2 ，以F1和F2為平行四邊形的鄰邊畫出對角線，F(xiàn)1和F2的合力F′就為對角線。

（5）用力的圖示作出單獨一個彈簧測力計的測量結(jié)果，使用同一標度畫出對應(yīng)的力的圖示F。

（6）通過量角器讀出F與F′的偏差角度，通過這一偏差角度進而判斷在誤差范圍內(nèi)力F與力F′是否相同。

2.探究特殊角度合力與分力的幾何關(guān)系

探究互成30°、37°、45°、53°、60°、90°、120°等特殊角的二力合成，探究合力與分力的定量關(guān)系。（如圖6所示）

2.4 ? ?改進的創(chuàng)新點

1.通過鐵板、磁鐵固定白紙，解決了力量小的學(xué)生難以用圖釘壓緊木板固定白紙的問題。

2.等高凹槽演示板的目的是為了安放白紙、量角器后，還能保證在同一平面內(nèi)互成角度地拉細繩套。

3.加入量角器：①量角器中心小孔可方便用于確立等效點的位置;②用于驗證常用的特殊角的二力合成規(guī)律。

4.此改進后的裝置，不僅可以用于學(xué)生實驗，還可以作為教師演示實驗使用。

此改進實驗裝置已在筆者所在學(xué)校的高一年級試用，取得了明顯的教學(xué)效果。老師們反映整個實驗過程清晰，實驗操作輕松、方便，實驗現(xiàn)象明顯，易于學(xué)生觀察，實現(xiàn)了教學(xué)效果和效率的提高。

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（欄目編輯 ? ?張正嚴）