馮 楠 王 林

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院 寧夏 銀川 750021 )

高中《物理·必修1》中“力的合成”和“力的分解”是學(xué)習(xí)與解決力學(xué)問題最基礎(chǔ)的內(nèi)容，也是學(xué)習(xí)物體平衡、動(dòng)量定理等內(nèi)容的基礎(chǔ).新課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，理解力的合成與分解，知道共點(diǎn)力的平衡條件，區(qū)分矢量與標(biāo)量，用力的合成與分解分析日常生活中的問題[1].然而，由于對矢量知識了解不深，學(xué)生對矢量的運(yùn)算往往缺乏感性認(rèn)識和生活經(jīng)驗(yàn)，如何突破思維定勢，讓學(xué)生理解平行四邊形法則是本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn).正是因?yàn)閷W(xué)生對矢量的陌生，所以在教學(xué)過程中應(yīng)該讓學(xué)生在探究活動(dòng)中獲得切身的體驗(yàn)[2].現(xiàn)行課本中設(shè)計(jì)了“探究求合力的方法”的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)雖能得出結(jié)論，但操作起來不太方便，不利于學(xué)生自主探究，更不便于教師課堂演示實(shí)驗(yàn).

基于此，筆者設(shè)計(jì)制作了一個(gè)能全面表述“力的合成與分解”的演示實(shí)驗(yàn)儀器，力求能夠通過自制教具， 有效解決現(xiàn)有教學(xué)儀器的不足[3].該自制實(shí)驗(yàn)儀在全國第五屆 “人教社杯”大學(xué)生與研究生物理教學(xué)技能展評暨自制教具與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)展評中被評為二等獎(jiǎng).

下面本文將詳細(xì)介紹該演示儀的制作方法、特點(diǎn)以及在物理教學(xué)中的使用方法和操作過程等.

1 實(shí)驗(yàn)裝置簡介

(1)儀器裝置

彈簧測力計(jì)2個(gè)，調(diào)節(jié)旋鈕(滑輪)2個(gè)，方形滑槽1個(gè)，50 g砝碼1盒,角度刻度盤2個(gè),橡皮條、細(xì)繩若干.

(2)制作材料

大角度刻度圓盤,所用支架由2 mm厚的鐵板制成；小角度刻度圓盤,制作材料有白色塑料、強(qiáng)磁1塊、萬能膠等；細(xì)繩用牢度強(qiáng)伸縮性小的蠟線制成.

(3)制作方法

角度刻度盤如圖1所示，制作方法如下.

大角度刻度盤：面板背面焊有兩個(gè)插孔，可垂直固定在支架上，且面板周圍刻有360°滑槽，便于滑輪的調(diào)節(jié)旋鈕在任意位置移動(dòng).在面板上用量角器、直尺、油性水筆畫出刻度與角度.

圖1 力的合成與分解演示儀角度刻度盤

小角度刻度盤：將白色塑料裁成圓形，在板面上畫出角度刻度，背面用萬能膠將強(qiáng)磁固定，以便將其固定在大角度刻度盤的任意位置；制作方形滑槽，選取長15 cm,寬5 cm的長方形鐵板，刻出長14 cm,寬0.5 cm的滑槽.

(4)演示儀的實(shí)物圖

演示儀的實(shí)物圖如圖2所示.

圖2 演示儀實(shí)物圖

2 演示實(shí)驗(yàn)操作步驟

2.1 探究求合力的方法

操作步驟：

(1)在方形滑槽上掛一橡皮條，在橡皮條下方兩根引線上掛等量砝碼，并將引線放入調(diào)節(jié)旋鈕凹槽內(nèi)，調(diào)節(jié)方形滑槽高度，將橡皮條和引線結(jié)點(diǎn)位置與角度刻度盤中心對齊，讀出兩個(gè)分力的大小及方向，在角度刻度盤面板上用力的圖示法畫出分力.

(2)取下砝碼，檢查彈簧測力計(jì)是否在零刻度線上，如果不是，用手輕輕將彈簧測力計(jì)調(diào)整至零刻度.用彈簧測力計(jì)將橡皮條結(jié)點(diǎn)拉至角度刻度盤中心位置，讀出測力計(jì)的示數(shù),用力的圖示法在角度刻度盤面板上畫出合力.

圖3 求合力的大小

(3)連接3個(gè)力的箭頭，可得出平行四邊形,如圖3所示.

(4)改變方形滑槽，調(diào)節(jié)旋鈕的位置，重復(fù)以上步驟，驗(yàn)證平行四邊形定則.

注意：若中心結(jié)點(diǎn)與面板上角度刻度盤中心不一致，可采用小角度刻度盤測量分力夾角.

數(shù)據(jù)記錄：

記錄數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 探究求合力的方法數(shù)據(jù)記錄

2.2 探究合力的大小與分力夾角之間的關(guān)系

操作步驟：

(1) 檢查彈簧測力計(jì)是否在零刻度線上，如果不是，用手輕輕將彈簧測力計(jì)調(diào)整至零刻度.

(2)將方形滑槽調(diào)節(jié)至圓盤正上方，彈簧測力計(jì)掛在滑槽上，橡皮條掛在測力計(jì)的掛鉤上，在橡皮條下方的引線上掛兩個(gè)砝碼，將砝碼放下，兩個(gè)砝碼同時(shí)處于零刻度線上，彈簧測力計(jì)顯示1 N.

(3)將兩個(gè)砝碼的引線分別放入調(diào)節(jié)旋鈕的凹槽內(nèi)，將調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)到30°的刻度上，觀察測力計(jì)示數(shù)并記錄，將調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)到60°刻度上，觀察測力計(jì)示數(shù)并記錄.多次調(diào)節(jié)旋鈕，觀察分力夾角大小與合力之間的關(guān)系.

(4)改變方形滑槽、調(diào)節(jié)旋鈕的位置，重復(fù)以上步驟.

數(shù)據(jù)記錄：

記錄的數(shù)據(jù)如表2所示.

表2探究合力的大小與分力夾角之間的關(guān)系數(shù)據(jù)記錄

分組力 第一組第二組第三組第四組F1大小/N0.50.50.50.5方向/(°)9060300F2大小/N0.50.50.50.5方向/(°)9060300F1,F2夾角大小/(°)180120600F合大小/N00.50.71

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：以上數(shù)據(jù)表明，當(dāng)分力大小不變時(shí)，兩分力構(gòu)成的夾角越大，合力越小，夾角越小，合力越大.

3 物理教學(xué)中的使用效果

(1)儀器改變了書中傳統(tǒng)的教學(xué)方式，采用更簡單的方式“探究求合力的方法”，能夠直接在角度刻度盤上畫出平行四邊形，使學(xué)生能夠直觀地得出平行四邊形定則，教學(xué)效果更加清晰明了.

(2)省去了書中繁瑣的實(shí)驗(yàn)流程，學(xué)生可以在相同的時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，使得實(shí)驗(yàn)更加便捷，課堂更加高效.

(3)實(shí)驗(yàn)儀器可多方位使用，合力和分力的大小及方向可任意調(diào)節(jié)，豐富了原有的教學(xué)方法與教學(xué)效果.

4 儀器的特點(diǎn)

(1)大角度刻度盤采用鐵質(zhì)材料制成，在盤的周圍刻有360°滑槽，使得兩個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕和方形滑槽可沿角度刻度盤360°任意角度固定，這使得合力與分力的方向可以任意確定與組合.

(2)大角度刻度盤與小角度刻度盤配合使用.大角度盤板面清楚，可清晰地讀取分力的大小和分力的夾角度數(shù), 若合力與分力的匯聚節(jié)點(diǎn)在大角度刻度盤的中心位置，可采用大角度刻度盤，直接在面板上做出平行四邊形.小角度盤在面板上任意移動(dòng)位置及方向，故不管幾個(gè)力的匯聚節(jié)點(diǎn)移到什么位置，小角度刻度盤的圓心總可以移到這幾個(gè)力的匯聚節(jié)點(diǎn)上.若匯聚節(jié)點(diǎn)不在盤的中心位置，可使用小角度盤測量合力與分力的方向.

(3)使用滑輪做定點(diǎn)，減小了輪子與線之間的摩擦力，提高了測量的準(zhǔn)確率.

5 實(shí)驗(yàn)儀器的不足與改進(jìn)措施

儀器的不足：

實(shí)驗(yàn)儀器采用鐵質(zhì)材料制成，部分制作工藝有難度，適合儀器廠批量生產(chǎn)，對大多數(shù)中學(xué)教師或者中學(xué)生不太容易推廣.

改進(jìn)措施：

將鐵質(zhì)材料的大角度刻度盤用紙質(zhì)材料代替，為了使儀器刻度精密性提高，使用flash軟件畫出角度刻度盤，保存為jpg格式，將圖片打印，可直接得出角度刻度盤，在盤的背面嵌入一塊磁鐵，這樣使得盤可直接固定在黑板上，提高了演示效果.小角度盤插入一個(gè)大頭針，可隨意插入大角度盤的板面上.通過這樣的改進(jìn)，使得儀器更具有推廣性.

參考文獻(xiàn)

1 中華人民共和國教育部制訂.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn).北京:人民教育出版社,2003

2 胡忠國.設(shè)置問題創(chuàng)設(shè)情境,激發(fā)科學(xué)探究思維——談“力的合成”的問題探究式教學(xué)案例. 湖南中學(xué)物理，2011(05)

3 楊志宏.自制教具在物理教學(xué)中的現(xiàn)實(shí)意義.新課程研究(中旬刊) ,2010(01)