自制二力平衡演示器

劉永樹　李家銀

人教版八年級(jí)物理下冊(cè)第八章第二節(jié)中探究二力平衡條件的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

使用該裝置探究二力平衡的條件時(shí)，由于小車與木板之間存在較大的摩擦力，若選用的砝碼質(zhì)量較小，即使兩邊的砝碼個(gè)數(shù)不同，小車仍有可能保持靜止，無(wú)法驗(yàn)證在同一直線上大小不等、方向相反且作用在同一個(gè)物體上的兩個(gè)力是否為平衡力。而在探究“不在同一直線上的兩個(gè)力是否平衡”時(shí)，需將小車旋轉(zhuǎn)一定的角度后松手，此時(shí)如果繩子的拉力很小，小車有可能不旋轉(zhuǎn)。此外，小車不能被切割，無(wú)法驗(yàn)證在同一直線上大小相等、方向相反且作用在不同物體的兩個(gè)力是否為平衡力。

為解決上述問(wèn)題，我們使用實(shí)驗(yàn)室的部分器材和生活中的用品，自制了二力平衡演示器。

一、實(shí)驗(yàn)材料

線路板1塊，支架1個(gè)，演示滑輪3個(gè)，起子1把，硬紙片1張，質(zhì)量相同的鉤碼若干，長(zhǎng)螺釘6個(gè)，棉線若干。

二、制作過(guò)程

（一）將演示滑輪中的兩個(gè)小滑輪的螺釘拆下，用長(zhǎng)螺釘將兩個(gè)滑輪（滑輪1和滑輪2）分別安裝在線路板左、右兩邊高度相同的小孔中。

（二）將第三個(gè)演示滑輪（滑輪3）安裝在線路板上與滑輪1、滑輪2高度不同的小孔中。

（三）在硬紙片的對(duì)角線上鉆孔，讓棉線從小孔中穿過(guò)，并在棉線的兩端系上鉤碼。

（四）在線路板上端的中心位置安裝金屬片標(biāo)簽，將標(biāo)簽上帶箭頭的直線AB作為參照物，觀察硬紙片上的紅線CD相對(duì)于AB的位置。

（五）在線路板上畫一條斜線EF。

三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（一）實(shí)驗(yàn)一

1.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

選用滑輪1和滑輪2，在硬紙板上系好棉線，讓棉線越過(guò)滑輪1和滑輪2。在棉線兩端各掛相同數(shù)量的鉤碼，讓CD與AB重合，硬紙片在水平方向受拉力F1、F2的作用。松手后，硬紙片相對(duì)標(biāo)簽始終保持靜止。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

作用在同一物體、同一直線上方向相反、大小相等的兩個(gè)力是平衡力。

（二）實(shí)驗(yàn)二

1.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

換用滑輪1和滑輪3，在硬紙片上系好棉線，讓棉線越過(guò)滑輪1和滑輪3。在棉線兩端各掛相同數(shù)量的鉤碼，讓CD與EF重合，松手后，硬紙片相對(duì)于EF始終保持靜止。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

作用在同一物體且在同一直線（不一定水平）上大小相等、方向相反的兩個(gè)力也是平衡力。

（三）實(shí)驗(yàn)三

1.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

選用滑輪1和滑輪2，在棉線的兩端掛不同數(shù)量的鉤碼。讓CD與AB重合，松手后，觀察CD與AB的距離，由此判斷硬紙片運(yùn)動(dòng)的軌跡。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

作用在同一物體、同一直線上方向相反、大小不等的兩個(gè)力不是平衡力。

（四）實(shí)驗(yàn)四

1.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

選用滑輪1，用棉線系好硬紙片越過(guò)滑輪1。在棉線的兩端各掛數(shù)量相同的鉤碼，讓兩根棉線的拉力方向相同。使CD與AB重合，松手后，硬紙片的位置發(fā)生了變化。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

作用在同一物體、同一直線上大小相等、方向相同的兩個(gè)力不是平衡力。

（五）實(shí)驗(yàn)五

1.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

選用滑輪1和滑輪2，在棉線的兩端各掛數(shù)量相同的鉤碼，拉住硬紙片向標(biāo)簽的下方移動(dòng)，使兩個(gè)拉力的方向成一定夾角。松開硬紙片，硬紙片向上移動(dòng)。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

作用在同一物體上，大小相等、方向相反、不在同一直線上的兩個(gè)力不是平衡力。

（六）實(shí)驗(yàn)六

1.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

選用滑輪1和滑輪2，在棉線的兩端各掛數(shù)量相同的鉤碼。將硬紙片旋轉(zhuǎn)一定的角度，使拉硬紙片的兩根棉線相互平行，但不在同一直線上，即讓兩個(gè)拉力不在同一直線上。松手后，硬紙片做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

作用在同一物體上，大小相等、方向相反、不在同一直線上的兩個(gè)力不是平衡力。

（七）實(shí)驗(yàn)七

1.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

選用滑輪1和滑輪2，在棉線的兩端各掛數(shù)量相同的鉤碼，拉力F1的作用點(diǎn)G和拉力F2的作用點(diǎn)H均在同一片硬紙片上，硬紙片始終保持靜止。用剪刀將硬紙片從中間剪開，F(xiàn)1的作用點(diǎn)G在左邊的紙片上，F(xiàn)2的作用點(diǎn)H在右邊的紙片上。松手后，紙片位置發(fā)生了變化。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

作用在同一直線上，大小相等、方向相反、在不同物體上的兩個(gè)力不是平衡力。

四、實(shí)驗(yàn)效果

由以上七個(gè)實(shí)驗(yàn)可得出：作用在同一物體上（同體）的大小相等（等大）、方向相反（反向）、在同一直線上（共線）的兩個(gè)力是平衡力。

利用自制教具演示實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生充分理解了“作用在同一物體上”是指兩個(gè)力的作用點(diǎn)在同一個(gè)物體上，“同一直線”既可以是水平直線，又可以是斜線。

自制二力平衡演示器雖然消除了水平方向上的摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響，但硬紙片的重力會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了消除這一影響，可選用質(zhì)量較輕、體積較小的紙片。