李寬宏

[摘要]2016年12月第2版普通高中課程實驗教科書物理必修1第三章中《力的合成》這一實驗完成了從驗證性實驗到探究性實驗的質(zhì)變，在操作上也方便了不少，但仍存在一定的不足?；诖?，對《力的合成》的實驗裝置進(jìn)行改進(jìn)，以解決相關(guān)問題。

[關(guān)鍵詞]力的合成 實驗裝置 改進(jìn)

人民教育出版社2003年6月第一版2005年4月浙江第8次印刷《全日制普通高級中學(xué)教科書（必修）物理第一冊》第一章第5節(jié)《力的合成》的演示實驗是這樣完成的：“如圖所示，圖甲表示橡皮條GE在兩個力共同作用下，沿著直線GC伸長了EO這樣的長度。圖乙表示撤去F1和F2，用一個力F作用在橡皮條上，使橡皮條沿著相同的直線伸長相同的長度。力F對橡皮條產(chǎn)生的效果跟力F1和F2共同作用的效果相同，所以力F等于F1和F2的合力。在力F1和F2的方向上各作線段OA和OB，根據(jù)選定的標(biāo)度，使它們的長度分別表示F1和F2的大小，如丙圖。以O(shè)A和OB為鄰邊作平行四邊形OACB。量出這個平行四邊形的對角線OC的長度，可以看出，根據(jù)同樣的標(biāo)度，合力F的大小和方向可以用對角線OC表示出來。改變力的大小和方向，重做上述實驗，可以得到同樣的結(jié)論。”改變力的大小和方向，重做上述實驗，說起來容易，但做起來難。根據(jù)筆者的經(jīng)驗要先確定好0點(diǎn)的位置，再畫出水平線GC并確定中心滑輪的位置，一手握住橡皮條的左端，一手在中心滑輪右側(cè)掛5個鉤砝并確定E點(diǎn)和G點(diǎn)的位置，再用數(shù)學(xué)的方法先確定F1和F2的方向并確定安放上下滑輪的位置。這樣才能符合“3、4、5”的“勾股定理”關(guān)系。經(jīng)全國中小學(xué)教材委員會2004年初審?fù)ㄟ^的2006年12月第2版的普通高中課程實驗教科書物理必修1第三章《4力的合成》中，演示實驗改用兩個彈簧秤來完成，完成了從“驗證性”實驗到“探究性”實驗的質(zhì)變，在操作性上也方便了不少。但這一改進(jìn)仍有不足之處，主要有三個方面：①彈簧秤自身重力對實驗有一定的影響；②彈簧秤不便讀數(shù)，不適合演示；③需要兩人合作方可順利完成實驗。

筆者利用裝置解決這些問題。此裝置看似與上面的裝置沒多大區(qū)別，實則大不相同。首先，滑輪的位置是可以隨便安放而無須預(yù)先設(shè)定；其次，每個滑輪下面所掛鉤碼個數(shù)不必滿足“3、4、5”的特殊關(guān)系。

該裝置的優(yōu)點(diǎn)如下：①可操作性強(qiáng)，一個人即可完成。②可把實驗“數(shù)據(jù)”長時間定格在學(xué)生眼前，便于觀察，使物理“過程和方法”更加生動有趣。③每一根細(xì)線下方可掛的鉤碼個數(shù)不是事先限定的，在一定的范圍內(nèi)隨意選取，還可以用不同級別的鉤碼搭配，說明力的合成不限于特定值。④本裝置還可完成實驗：a.通過改變每根細(xì)繩下面鉤砝的個數(shù)，找到合力與分力的大小關(guān)系，合力的范圍是|F1-F2|≤F≤|F1+F2|。b.探究：兩個分力分別是3N和4N，其合力是5N的情況有幾種？左邊一根細(xì)繩下掛3個鉤碼，右邊一根細(xì)繩下掛4個鉤碼，中間一根細(xì)繩下掛5個鉤碼時，不論用手把節(jié)點(diǎn)移到什么位置，松手后節(jié)點(diǎn)一定會“回”到“原來”的位置重新平衡，說明分力的合成有唯一性。c.當(dāng)兩邊細(xì)繩下掛的鉤碼數(shù)不變而中間的細(xì)繩下掛的鉤碼數(shù)減少時，中間細(xì)繩上升，兩邊細(xì)繩間的夾角變大，可探究合力大小與分力間夾角的關(guān)系。d.將中間鉤碼豎直向下拉一段距離后自由釋放，可觀察到鉤碼上下振動，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)都不是平衡位置，上上下下但最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的位置卻“從不改變”?？梢宰寣W(xué)生初步感受能量守恒。這種上下振動的情境對將來解決類似情況的問題會有很好的啟發(fā)作用。

當(dāng)然，這個裝置也還有不足之處，以兩邊的細(xì)繩的拉力作為分力，其合力是與中間鉤碼的重力相平衡的豎直向上的一個力，不能直接顯現(xiàn)。筆者先用兩枚大號的釘子直接釘在黑板上方代替滑輪做這個實驗，但由于阻力太大不能成功；后用初中科學(xué)課實驗中的滑輪，較難固定，且阻力也很大。再用鋁合金推拉窗內(nèi)的滑輪，固定在一塊一米見方的木材上，效果較好，但懸掛困難，鉤砝容易與黑板下方的粉筆槽擦碰，影響實驗演示；最后買來幾個小型帶軸承的專用滑輪固定在方木板上，在方木板背后安上幾只“腳”，使其離黑板平面一定距離且碰不到粉筆槽，從而獲得了較為理想的效果。

在這個實驗裝置的改進(jìn)中，筆者雖付出了一定的時間和精力，但是能讓課堂更加生動有趣，使學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣更加高漲，使物理課成為學(xué)生的期待，讓學(xué)生有一個別樣的“過程與方法”。

（特約編輯 安平）