力的分解演示儀的改進(jìn)與拓展應(yīng)用

劉偉

摘 ? 要：隨著信息技術(shù)和精密傳感技術(shù)的高速發(fā)展，傳感器廣泛應(yīng)用到了生產(chǎn)生活中，極大地提高了工作效率，也給人們的生活帶來(lái)了便利。在全國(guó)很多地方，高中物理實(shí)驗(yàn)室引入了DIS系統(tǒng)（數(shù)字化信息系統(tǒng)），當(dāng)中最為核心的部件就是各種類(lèi)型的傳感器。在DIS系統(tǒng)的幫助下，學(xué)生可以非常輕松地獲取準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而總結(jié)出物理規(guī)律。DIS系統(tǒng)除了能夠應(yīng)用到教材中設(shè)計(jì)的學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)中，物理教師們也常會(huì)進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，用于物理場(chǎng)景演示實(shí)驗(yàn)或探究實(shí)驗(yàn)中，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的直觀(guān)感受，加深學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)知深度。

關(guān)鍵詞：DIS系統(tǒng);力傳感器;物理實(shí)驗(yàn);動(dòng)態(tài)平衡;應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2022）4-0052-3

高中物理“力學(xué)”部分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，涉及到的學(xué)生實(shí)驗(yàn)是“探究力的合成規(guī)律”。在力的分解部分沒(méi)有學(xué)生實(shí)驗(yàn)，但為了能夠增強(qiáng)課堂教學(xué)的效果，物理教師們常自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課堂教學(xué)演示，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中會(huì)用到力傳感器。然而，對(duì)于力傳感器的應(yīng)用時(shí)常出現(xiàn)不規(guī)范、不正確的情況，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)演示失敗。

1 ? ?問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)

筆者在一次教研活動(dòng)中，觀(guān)摩了一節(jié)物理課——“力的分解”。課堂一開(kāi)始，授課教師在自制演示儀（圖1）的動(dòng)滑輪下面懸掛上重物，然后將兩個(gè)力傳感器從軌道中央沿軌道向兩側(cè)移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中，細(xì)繩突然斷裂，由此引入課堂教學(xué)。

在課堂的最后，教師引導(dǎo)學(xué)生分析，為什么兩個(gè)力傳感器向兩側(cè)移動(dòng)的過(guò)程中細(xì)繩會(huì)斷裂？學(xué)生回答：“動(dòng)滑輪兩側(cè)細(xì)繩上的拉力是相同的，在重物重力不變的情況下，兩側(cè)細(xì)繩之間夾角增大，所以細(xì)繩上的拉力隨之增大，當(dāng)拉力達(dá)到細(xì)繩的承受極限，細(xì)繩就會(huì)斷裂”?；卮鸾Y(jié)束后，授課教師將力傳感器連接到電腦，隨即開(kāi)始實(shí)驗(yàn)演示。通過(guò)電腦屏幕顯示的示數(shù)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)力傳感器示數(shù)確實(shí)在增大，但是兩個(gè)力傳感器的示數(shù)卻不相同，并且差距很大，這引起了課堂上聽(tīng)課教師和學(xué)生的注意。

仔細(xì)分析不難發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題出在力傳感器上，目前中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室里用的力傳感器，大多在傳感器前端有一個(gè)應(yīng)力桿。這樣類(lèi)型的力傳感器[1]，在使用時(shí)，只有當(dāng)外力沿著應(yīng)力桿向外拉力傳感器或者沿著應(yīng)力桿向內(nèi)壓力傳感器時(shí)，力傳感器才能準(zhǔn)確測(cè)量外力的數(shù)值。如圖2所示，當(dāng)軌道上的兩個(gè)力傳感器沿著軌道向兩側(cè)移動(dòng)的過(guò)程中，圖中繩上的拉力每時(shí)每刻都保持大小相等，即F=F'。兩側(cè)繩上的拉力因?yàn)闆](méi)有沿著應(yīng)力桿的方向，所以力傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)并不是繩子上的拉力數(shù)值。另外，教師在移動(dòng)兩側(cè)力傳感器的位置時(shí)，沒(méi)有保持兩個(gè)力傳感器關(guān)于半圓板對(duì)稱(chēng)軸對(duì)稱(chēng)，因此兩側(cè)細(xì)繩與力傳感器應(yīng)力桿之間的夾角不相同，導(dǎo)致兩側(cè)力傳感器上的示數(shù)并沒(méi)有保持每時(shí)每刻都相同，即F1≠F'1。

3.1 ? ?裝置結(jié)構(gòu)介紹

參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置[2]，對(duì)力的分解演示儀進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。改進(jìn)后的演示裝置由底座、左側(cè)支架、定滑輪、右側(cè)下支架、固定旋鈕、右側(cè)上支架、力傳感器、動(dòng)滑輪等部分構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。兩個(gè)力傳感器分別固定在左側(cè)支架和右側(cè)上支架上，在力傳感器的上端安裝定滑輪。安裝定滑輪時(shí)，要保證力傳感器應(yīng)力桿引出的細(xì)繩跨過(guò)定滑輪后細(xì)繩的拉力方向與應(yīng)力桿在同一直線(xiàn)上，這樣就可以確保力傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。右側(cè)上支架和右側(cè)下支架之間通過(guò)固定旋鈕連接，右側(cè)上下支架都有開(kāi)槽，方便調(diào)整兩個(gè)支架之間的位置。上支架在繞固定旋鈕軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，便會(huì)改變動(dòng)滑輪兩側(cè)繩之間的夾角，從而改變細(xì)繩上的拉力大小。

在高中力學(xué)部分，共點(diǎn)力的平衡是教學(xué)重難點(diǎn)，其中的動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題更是困擾著很多學(xué)生。他們?cè)趯W(xué)習(xí)的過(guò)程中，只通過(guò)老師講解，很難真正體會(huì)共點(diǎn)力作用下物體動(dòng)態(tài)平衡的機(jī)理。如果在應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法解析前，能夠有演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生探究實(shí)驗(yàn)幫助他們認(rèn)識(shí)、理解物理模型，定能達(dá)到事半功倍的效果。

動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題中就有這樣一種類(lèi)型的題目：

例 如圖4所示，一根不可伸長(zhǎng)的輕繩繞過(guò)光滑的滑輪后兩端分別固定在兩根豎直桿上的A、B兩點(diǎn)，滑輪下懸掛一個(gè)物體并處于平衡狀態(tài)。

（1）如果保持繩子固定點(diǎn)A的位置不變，使固定點(diǎn)B所在的豎直桿水平向左緩慢移動(dòng)，問(wèn)：在整個(gè)過(guò)程中繩上的拉力如何變化？

（2）如果保持繩子固定點(diǎn)A的位置不變，使固定點(diǎn)B沿豎直方向緩慢上下移動(dòng)，問(wèn)：繩上的拉力又如何變化？

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)探究為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，在物理教學(xué)中加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)亦是落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要手段。通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)探究，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的觀(guān)察能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力，促進(jìn)科學(xué)思維的形成。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)源于高中物理學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)的物理情境，此情境對(duì)應(yīng)共點(diǎn)力作用下物體的動(dòng)態(tài)平衡。通常情況下，教師在課堂上會(huì)結(jié)合數(shù)學(xué)、物理方法進(jìn)行分析研究，缺乏了真實(shí)情境的感知過(guò)程，學(xué)生因?yàn)闆](méi)有實(shí)景觀(guān)察、體驗(yàn)，很難真正感知?jiǎng)討B(tài)變化的機(jī)理。物理科學(xué)不應(yīng)該是枯燥的，應(yīng)該讓學(xué)生帶著自己的疑問(wèn)與好奇，在實(shí)驗(yàn)中探索物理的奧秘，獲得學(xué)習(xí)物理的樂(lè)趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]王璐，彭紅梅，隋景忠，等. DIS 系統(tǒng)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，36（2）：165-170.

[2]方衛(wèi)紅.自制“動(dòng)態(tài)力的分解演示儀”[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2016，33（7）：95-96.

（欄目編輯 ? ?劉 ? 榮）