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自制力的合成演示仪

作者：刘万强

更新时间：2012-11-12

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松滋市第一中学湖北荆州（434200）
高一物理中“力的合成”和“平行四边形定则”是矢量教学的起点，矢量及其运算是高中物理教学的一个难点和重点，如何突破这一难点呢？这就需要从“力的合成”的教学抓起。而在“力的合成”教学过程中，教师往往直接给出其运算规律-----平行四边形定则，然后加以验证，学生印象不深，被动接受。笔者经过认真思考和多次实践，自制了一套可以探究验证力的合成的演示实验仪。现将具体情况与同行们交流如下：
一、实验装置简介
⑴“工”字型底座（长×宽×高：610mm×300mm×60mm）
⑵内侧附有竖直滑槽的立柱（高：600mm）
⑶自由活动的大木板（长×宽：600mm×900mm）
⑷可固定的定滑轮（直径：40mm，带固定螺杆和螺母）
⑸固定于木板上的钉子
⑹带绳套的橡皮条（如图3）
⑺钩码（规格：50克/个，至少12个）
⑻悬挂式固定螺杆（板外伸长：30mm）
⑼弧形小槽2个（宽度：6mm，如图2）
⑽大白纸（长×宽：540mm×800mm，图钉固定）
⑾小孔c（直径：6mm）

二、实验步骤与现象
（一）平行四边形定则的探究
1.将白纸用图钉固定在大木板上，把木板插入立柱的竖直槽内或利用固定螺杆⑻将大木板挂在黑板的上边缘上；（也可将带支架的装置平放在讲桌上）
2.将带有橡皮条的细绳套一端固定在⑸处的钉子上，并将一定滑轮插在孔c处并固定，然后将一绳套通过c处的滑轮挂上5个钩码，记下此时结点拉到的位置O、绳子的方向和钩码的数量，并取下c处的钩码和卸下该处的定滑轮（如图4）；
3.分别在a、b小槽内插入定滑轮，仍将原来的两绳套分别通过两定滑轮挂上钩码，当钩码的数量确定后（比如3个和4个），慢慢移动圆弧形槽内滑轮，直到将结点恰好拉到步骤⑵中O点处，记录此时钩码的数量和两绳子的方向，并取下两处的钩码；（如图5）
4.在白纸上用红色粉笔分别作出一根绳子和两根绳子拉时拉力的图示，并猜测可能拼成什么图形；
5.根据猜想，连接邻近两力矢量的末端，形成封闭图形观察，发现其封闭图形是平行四边形，即探究得到合力是以两分力为邻边的平行四边形中两分力所夹的对角线；
（二）平行四边形定则的探究验证
1.改变钩码的数量（比如2个和4个，实际上个数是可以随意的），再次慢慢移动圆弧形槽内滑轮，直到将结点恰好拉到步骤（一）-2中O点处，记录此时钩码的数量和两绳子的方向，并取下两处的钩码；（如图6）
2.在白纸上用蓝色粉笔分别作出两根绳子拉时拉力的图示，连接邻近两分力矢量的末端，形成封闭图形观察，发现其封闭图形仍是平行四边形，即验证了合力是以两分力为邻边的平行四边形中两分力所夹的对角线；
3.如果再次改变钩码的数量（比如2个和2个，使钩码的总个数小于或等于5个），再次慢慢移动圆弧形槽内滑轮，无论在什么位置都不能将结点恰好拉到步骤（一）-2中O点处，这说明此种情况下，无法画出平行四边形。

三、实验装置优点
1.选材容易，制作简单。滑轮、橡皮、绳套、钩码、钉子等都是实验室常见的器材，木板、支架和立柱，都可以用木材制作，滑槽在市面上很容易找到。制作中，需要在大木板上打两条圆弧形小槽，用铁钉和胶水将支架、立柱和滑槽固定即可，相当简便。
2.操作简便，可见度好。演示板可以装在支架上，放在讲桌上演示，也可以利用固定螺杆挂在黑板上。实验时，可根据需要任意移动定滑轮和增减钩码，需要作图时，可以将定滑轮和细绳套随时取下。使用50g钩码拉细绳，而不用弹簧秤，这样将力的大小量子化，容易控制、操作、读数和作图。用彩色粉笔在白纸上作图，清晰自然，效果很好。如果再次实验，只需要更换白纸即可。
3.体现新课程理念。实验操作，教师可以完全放手，引导学生完成。实验过程体现了“猜想---探究---验证”的课程改革思想。激发了学生的科学探究热情，培养学生主动参与意识、动手和观察能力。
附:作者:刘万强单位:湖北省荆州市松滋一中物理组
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