自制“共点力平衡条件、力的合成法则”探究仪

李立朋

（惠州市小金口中学，广东 惠州516023）

1 引 言

研究共点力平衡条件，通常选择三力平衡，传统方法需要测出各力大小和方向，然后作出各力的图示，由于力的测量误差较大，力的图示不准，实验不理想，说服力不强，学生疑问很多.实验准确性是教师和学生们最想突破的问题，本仪器用弹簧伸长长度表示力，利用圆框线夹固定各拉力，结果准确，操作方便，适合学生利用本仪器自主探究三力平衡条件，验证力的平行四边形定则.

2 原 理

共点力作用下物体平衡条件为合力为零，如受三力作用，有推论任意两力合力与第三个力等值反向，可借助力的图示进行研究.

对弹簧，在弹性限度内，弹簧伸长与弹力成正比，劲度系数相同的弹簧，各弹簧受力与其伸长成正比.本实验中，小圆环片受3个弹簧拉力作用处于平衡状态，以弹簧伸长的长度作为该力图示线段长度，测出每条弹簧伸长的长度，并确定拉力的方向，作出3个弹簧拉力的图示，即可探究小圆环片静止时受力平衡条件，验证力的平行四边形定则.

3 仪器设计及使用方法

演示仪实物图如图示1所示，由3条完全相同的弹簧、小圆环片、指示标志、拉力固定圆环（半径17.0cm）、指示标志等构成.

图1 演示仪实物图

使用方法：

1）确定半径在A3纸上画圆.如图2所示，将两弹簧对拉后自然伸直对接放在1张A3纸上，2个指示标志间距离即为圆直径D.在纸中心定好圆心O，画一直径为D的圆.2）小圆环片受弹簧拉力时，测量弹簧伸长长度和方向，在A3纸上做好记录.

图2 弹簧自然伸直状态下确定直径

如图3，小圆环片在三弹簧弹力作用下处于平衡，移动探究仪与A3纸相对位置，使小圆环片的圆心与白纸中心重合，这时在白纸上记下各条弹簧指示标志位置A，B，C及标示细绳拉力方向A1，B1，C1.移开探究仪（不要改变探究仪弹簧弹力，后面误差检查要用），直线连结OAA1，OBB1，OCC1，与圆相交D，E，G，则3条弹簧伸长长度分别为DA，EB，GC，如图4（说明：为使作图更准确，各拉力大小确定分别用了A，B，C三个点，方向确定分别用了A1，B1，C1三个点）

图3 弹簧处于平衡状态

3）作出小圆环片受拉力的图示，找出三力平衡条件.

分别在OA，OB，OC三条直线上作出三弹力的图示F1，F2，F3，利用平行四边形定则求出任两力的合力，比较这个合力与第三个力的关系，探究3个共点力作用下物体平衡条件：任两力合力与第三个力等值反向，验证力的平行四边形定则，如图4所示.

图4 受力分析

4）分析误差来源，对作图修正.

将刚才移开的探究仪放在作好各力的图示的A3纸上，移动探究仪位置，使圆心及各力一一对应再次重合，检验作图误差，分析误差来源，如图5所示.

图5 误差分析

5）改变拉力大小及方向，重做实验.

结论：物体在3个共点力作用下平衡条件为任意两力合力与第三个力等值反向，力的合成遵循平行四边形定则.

本仪器直接用弹簧伸长长度表示该力图示线段长度，实验结果准确，操作方法简单，与传统方法比较，这一方法降低了实验难度，同时也减小了实验误差.

采用拉力固定圆环拉弹簧，降低了实验操作难度，同时也使小圆环受弹簧拉力得以保留，为后来作图误差校验提供保证.

在进行探究实验时，仪器要在水平面上操作，弹簧设计略高于纸面，这样可以消除摩擦力影响而又方便操作，弹簧自身重力对3个弹簧弹力产生影响相近，这样可以不用考虑弹簧自身重力.

注意事项：

1）弹簧校验：将两弹簧对拉，要求两弹簧伸长长度相等.如不等，可通过调节三角片位置，直到对拉时两弹簧伸长量相等.

2）为减小实验误差，实验时注意拉力要大些，但不要超过弹簧的弹性限度，削尖铅笔作图有利减少误差.

3）保持环境干燥，勿与酸碱物接触，以免锈蚀弹簧和固定圆环.

4 结束语

在讲授共点力平衡条件这一知识点时，用本仪器让学生进行探究，分组实验2人1组，效果很好，在介绍了仪器的原理和使用方法后，学生开始实验，10min后，三力平衡图示结果已得出，学生有让教师过去肯定结果的，有不同组间误差比较谁更准确的，有重新校验找寻作图误差的，有改变拉力大小和方向重新实验的，有不同组间进行交流的……，整节课研究气氛活跃，本节课的知识内容借助实验器材，学生很好地掌握了.显然，学生在讨论实验误差原因时，已经自觉运用力的合成知识分析讨论，使所学知识得以升华.

［1］刘乃强.力的合成演示仪［J］.物理实验，2007，27（9）：23-24.