任意角度力的合成實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與使用

張紹才 閆迎利

河南省安陽市殷都區(qū)第二高級(jí)中學(xué)(455136) 河南省安陽市殷都區(qū)明德高級(jí)中學(xué)(455136)

高中物理教材中力的合成與分解是一個(gè)重要內(nèi)容,新課標(biāo)要求通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生理解力的合成與分解,用力的合成與分解分析日常生活中的問題。本實(shí)驗(yàn)儀的關(guān)鍵是讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn),總結(jié)出力的合成法則即平行四邊形法則。對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的操作將直接影響著學(xué)生對(duì)平行四邊形法則的理解和運(yùn)用。

基于上述教學(xué)內(nèi)容與要求,本實(shí)驗(yàn)儀操作簡(jiǎn)便、實(shí)驗(yàn)誤差較小、觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)時(shí),既能用作課堂教學(xué)演示裝置,又可以作為學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)裝置使用。本實(shí)驗(yàn)儀解決了任意角度力的合成與分解的實(shí)驗(yàn)問題,使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎玫卣莆樟Φ暮铣膳c分解法則——平行四邊形法則。

1 實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)

任意角度力的合成實(shí)驗(yàn)儀如圖1所示。

圖1 任意角度力的合成實(shí)驗(yàn)儀

1.1 儀器框架

儀器框架由鐵板和木條等組成。木條固定在鐵板四邊,木條厚度2 cm,長(zhǎng)度和寬度可根據(jù)背面鐵板大小來確定。

1.2 核心部件——強(qiáng)磁鏡角器

用于測(cè)量作用力之間夾角大小的實(shí)驗(yàn)裝置。核心部件是在一圓形平面鏡的鏡面上附著一360°量角器(或稱全圓儀),在鏡面的背面粘貼一強(qiáng)磁體,使強(qiáng)磁鏡角器能吸附在實(shí)驗(yàn)框架的鐵板上。強(qiáng)磁鏡角器的總厚度小于2 cm為好。強(qiáng)磁鏡角器的鏡面中心標(biāo)記一圓點(diǎn),作為作用力等效點(diǎn),大小見后述等效環(huán)大小。

1.3 附件

3條細(xì)線(輕質(zhì)、不易拉伸變形)一端拴在輕質(zhì)小圓鐵環(huán)上;另一端:1條拴在橡皮條(或彈簧)上,其余2條細(xì)線分別拴在彈簧測(cè)力計(jì)1、2上(如圖2所示),小圓鐵環(huán)作為橡皮筋(或彈簧)被拉伸長(zhǎng)的等效點(diǎn)標(biāo)記圓環(huán)。

圖2 裝置附件

2 實(shí)驗(yàn)操作步驟

(1)把強(qiáng)磁鏡角器放在鐵板上,中心有一與小圓鐵環(huán)大小一樣的彩色標(biāo)記。該標(biāo)記將作為力的等效點(diǎn)。

(2)將與細(xì)線固定的橡皮筋(或彈簧)的另一端固定在木條上(離木條的高度與彈簧測(cè)力計(jì)厚度有關(guān))。

(3)用一彈簧測(cè)力計(jì)拉伸橡皮筋(或彈簧)至某一位置,然后移動(dòng)強(qiáng)磁鏡角器使其中心標(biāo)記點(diǎn)務(wù)必與輕質(zhì)小圓環(huán)(作為等效點(diǎn)標(biāo)記圓環(huán))在鏡中的像重合。旋轉(zhuǎn)全角儀,使該伸長(zhǎng)橡皮筋(或彈簧)的細(xì)線在鏡中的像與全角儀的0刻度線重合。其中,細(xì)線的方向就是力的方向。力的大小記作F。

(4)撤掉步驟(3)中彈簧測(cè)力計(jì)。

(5)讓一學(xué)生拿著彈簧測(cè)力計(jì)1,另一學(xué)生拿著彈簧測(cè)力計(jì)2。然后分別拉伸2個(gè)彈簧測(cè)力計(jì),使這次的輕質(zhì)小圓環(huán)落在步驟(3)中等效點(diǎn)標(biāo)記圓環(huán)位置。力的大小分別記作F1、F2。

(6)用互成角度的2個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉伸橡皮筋(或彈簧)的小圓環(huán)在強(qiáng)磁鏡角器平面鏡中的像與步驟(3)中的等效點(diǎn)的位置重合。則這2個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)就是步驟(3)中力的分力。2個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的角度可以通過2個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)上的細(xì)線在強(qiáng)磁鏡角器中的平面鏡中所成像的夾角直接讀出。所有學(xué)生可以通過彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)記錄分力的大小、分力之間的夾角等數(shù)據(jù),按照力的圖示要求作出各力,再運(yùn)用幾何方法作出力的平行四邊形來驗(yàn)證力的合成法則。作出力的圖示時(shí),比例可以適當(dāng)大一些,使圖示清晰明了。

(7)改變2個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的角度,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟,可以得到另一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)一步驗(yàn)證力的合成法則。

3 實(shí)驗(yàn)儀的特點(diǎn)

(1)準(zhǔn)確度高。通過等效點(diǎn)標(biāo)記圓環(huán)與平面鏡中的像重合、彈簧測(cè)力計(jì)連接的細(xì)線與其在平面鏡中的像重合來讀角度數(shù)據(jù)。兩者可以減小讀數(shù)造成的誤差,提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度。

(2)重復(fù)性好。實(shí)驗(yàn)中各力大小、方向均可變化,從而得到多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),使平行四邊形定則的得出更具普遍性,促進(jìn)學(xué)生對(duì)力的合成的理解和掌握。

(3)裝置穩(wěn)定。降低實(shí)驗(yàn)操作難度,確保力的大小、方向的準(zhǔn)確性,為作正確力的圖示奠定了良好基礎(chǔ)。

(4)普適性。該教具既可以豎直放置也可以水平放置,既可以作為力的合成演示實(shí)驗(yàn)教具使用也可以作為學(xué)生力的合成實(shí)驗(yàn)儀使用。