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        力的分解演示儀的改進(jìn)與拓展應(yīng)用

        2022-05-10 23:35:44劉偉
        物理教學(xué)探討 2022年4期
        關(guān)鍵詞:動(dòng)態(tài)平衡物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

        劉偉

        摘 ? 要:隨著信息技術(shù)和精密傳感技術(shù)的高速發(fā)展,傳感器廣泛應(yīng)用到了生產(chǎn)生活中,極大地提高了工作效率,也給人們的生活帶來(lái)了便利。在全國(guó)很多地方,高中物理實(shí)驗(yàn)室引入了DIS系統(tǒng)(數(shù)字化信息系統(tǒng)),當(dāng)中最為核心的部件就是各種類型的傳感器。在DIS系統(tǒng)的幫助下,學(xué)生可以非常輕松地獲取準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)而總結(jié)出物理規(guī)律。DIS系統(tǒng)除了能夠應(yīng)用到教材中設(shè)計(jì)的學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)中,物理教師們也常會(huì)進(jìn)行改裝設(shè)計(jì),用于物理場(chǎng)景演示實(shí)驗(yàn)或探究實(shí)驗(yàn)中,增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的直觀感受,加深學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)知深度。

        關(guān)鍵詞:DIS系統(tǒng);力傳感器;物理實(shí)驗(yàn);動(dòng)態(tài)平衡;應(yīng)用

        中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ?文章編號(hào):1003-6148(2022)4-0052-3

        高中物理“力學(xué)”部分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,涉及到的學(xué)生實(shí)驗(yàn)是“探究力的合成規(guī)律”。在力的分解部分沒有學(xué)生實(shí)驗(yàn),但為了能夠增強(qiáng)課堂教學(xué)的效果,物理教師們常自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課堂教學(xué)演示,在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中會(huì)用到力傳感器。然而,對(duì)于力傳感器的應(yīng)用時(shí)常出現(xiàn)不規(guī)范、不正確的情況,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)演示失敗。

        1 ? ?問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)

        筆者在一次教研活動(dòng)中,觀摩了一節(jié)物理課——“力的分解”。課堂一開始,授課教師在自制演示儀(圖1)的動(dòng)滑輪下面懸掛上重物,然后將兩個(gè)力傳感器從軌道中央沿軌道向兩側(cè)移動(dòng),在移動(dòng)過(guò)程中,細(xì)繩突然斷裂,由此引入課堂教學(xué)。

        在課堂的最后,教師引導(dǎo)學(xué)生分析,為什么兩個(gè)力傳感器向兩側(cè)移動(dòng)的過(guò)程中細(xì)繩會(huì)斷裂?學(xué)生回答:“動(dòng)滑輪兩側(cè)細(xì)繩上的拉力是相同的,在重物重力不變的情況下,兩側(cè)細(xì)繩之間夾角增大,所以細(xì)繩上的拉力隨之增大,當(dāng)拉力達(dá)到細(xì)繩的承受極限,細(xì)繩就會(huì)斷裂”。回答結(jié)束后,授課教師將力傳感器連接到電腦,隨即開始實(shí)驗(yàn)演示。通過(guò)電腦屏幕顯示的示數(shù)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)力傳感器示數(shù)確實(shí)在增大,但是兩個(gè)力傳感器的示數(shù)卻不相同,并且差距很大,這引起了課堂上聽課教師和學(xué)生的注意。

        仔細(xì)分析不難發(fā)現(xiàn),問(wèn)題出在力傳感器上,目前中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室里用的力傳感器,大多在傳感器前端有一個(gè)應(yīng)力桿。這樣類型的力傳感器[1],在使用時(shí),只有當(dāng)外力沿著應(yīng)力桿向外拉力傳感器或者沿著應(yīng)力桿向內(nèi)壓力傳感器時(shí),力傳感器才能準(zhǔn)確測(cè)量外力的數(shù)值。如圖2所示,當(dāng)軌道上的兩個(gè)力傳感器沿著軌道向兩側(cè)移動(dòng)的過(guò)程中,圖中繩上的拉力每時(shí)每刻都保持大小相等,即F=F'。兩側(cè)繩上的拉力因?yàn)闆]有沿著應(yīng)力桿的方向,所以力傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)并不是繩子上的拉力數(shù)值。另外,教師在移動(dòng)兩側(cè)力傳感器的位置時(shí),沒有保持兩個(gè)力傳感器關(guān)于半圓板對(duì)稱軸對(duì)稱,因此兩側(cè)細(xì)繩與力傳感器應(yīng)力桿之間的夾角不相同,導(dǎo)致兩側(cè)力傳感器上的示數(shù)并沒有保持每時(shí)每刻都相同,即F1≠F'1。

        3.1 ? ?裝置結(jié)構(gòu)介紹

        參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置[2],對(duì)力的分解演示儀進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。改進(jìn)后的演示裝置由底座、左側(cè)支架、定滑輪、右側(cè)下支架、固定旋鈕、右側(cè)上支架、力傳感器、動(dòng)滑輪等部分構(gòu)成,整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。兩個(gè)力傳感器分別固定在左側(cè)支架和右側(cè)上支架上,在力傳感器的上端安裝定滑輪。安裝定滑輪時(shí),要保證力傳感器應(yīng)力桿引出的細(xì)繩跨過(guò)定滑輪后細(xì)繩的拉力方向與應(yīng)力桿在同一直線上,這樣就可以確保力傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。右側(cè)上支架和右側(cè)下支架之間通過(guò)固定旋鈕連接,右側(cè)上下支架都有開槽,方便調(diào)整兩個(gè)支架之間的位置。上支架在繞固定旋鈕軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),便會(huì)改變動(dòng)滑輪兩側(cè)繩之間的夾角,從而改變細(xì)繩上的拉力大小。

        在高中力學(xué)部分,共點(diǎn)力的平衡是教學(xué)重難點(diǎn),其中的動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題更是困擾著很多學(xué)生。他們?cè)趯W(xué)習(xí)的過(guò)程中,只通過(guò)老師講解,很難真正體會(huì)共點(diǎn)力作用下物體動(dòng)態(tài)平衡的機(jī)理。如果在應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法解析前,能夠有演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生探究實(shí)驗(yàn)幫助他們認(rèn)識(shí)、理解物理模型,定能達(dá)到事半功倍的效果。

        動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題中就有這樣一種類型的題目:

        例 如圖4所示,一根不可伸長(zhǎng)的輕繩繞過(guò)光滑的滑輪后兩端分別固定在兩根豎直桿上的A、B兩點(diǎn),滑輪下懸掛一個(gè)物體并處于平衡狀態(tài)。

        (1)如果保持繩子固定點(diǎn)A的位置不變,使固定點(diǎn)B所在的豎直桿水平向左緩慢移動(dòng),問(wèn):在整個(gè)過(guò)程中繩上的拉力如何變化?

        (2)如果保持繩子固定點(diǎn)A的位置不變,使固定點(diǎn)B沿豎直方向緩慢上下移動(dòng),問(wèn):繩上的拉力又如何變化?

        物理是一門以實(shí)驗(yàn)探究為基礎(chǔ)的自然科學(xué),在物理教學(xué)中加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)亦是落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要手段。通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)探究,能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力,促進(jìn)科學(xué)思維的形成。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)源于高中物理學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)的物理情境,此情境對(duì)應(yīng)共點(diǎn)力作用下物體的動(dòng)態(tài)平衡。通常情況下,教師在課堂上會(huì)結(jié)合數(shù)學(xué)、物理方法進(jìn)行分析研究,缺乏了真實(shí)情境的感知過(guò)程,學(xué)生因?yàn)闆]有實(shí)景觀察、體驗(yàn),很難真正感知?jiǎng)討B(tài)變化的機(jī)理。物理科學(xué)不應(yīng)該是枯燥的,應(yīng)該讓學(xué)生帶著自己的疑問(wèn)與好奇,在實(shí)驗(yàn)中探索物理的奧秘,獲得學(xué)習(xí)物理的樂趣。

        參考文獻(xiàn):

        [1]王璐,彭紅梅,隋景忠,等. DIS 系統(tǒng)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2021,36(2):165-170.

        [2]方衛(wèi)紅.自制“動(dòng)態(tài)力的分解演示儀”[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器,2016,33(7):95-96.

        (欄目編輯 ? ?劉 ? 榮)

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