力的合成与分解的实验演示＊

闫彬彬 李耀宗 华雪侠 赵 宇 喻盛欢



力的合成与分解的实验演示＊

闫彬彬 李耀宗 华雪侠 赵 宇 喻盛欢

摘要：根据定滑轮可改变力的方向，保持力的大小不变的性质，借助砝码的重力，制作了一种力的合成与分解的演示实验装置。介绍了力的合成与分解的实验演示步骤。通过课堂演示教学，取得了良好的教学效果。

关键词：力；力的合成与分解；力的平衡；力的平行四边形法则

课堂演示实验是物理教学的重要环节，对激发学生的学习兴趣、培养学生的探究能力、养成科学的思维方式及形成严谨的科学态度有重要意义[1]。在高中物理阶段，物理量一般可分为标量与矢量两种，表征物理学规律的公式与方程也有标、矢量之分。相对于标量的运算，矢量运算要复杂得多，其加法遵从平行四边形法则。在物理学中一般通过矢量的坐标分解将矢量方程转化为标量方程，以方便运算。力是物理学中最重要的概念之一，又是矢量，教学中力的合成与分解既是难点又是重点。我们制作了一种力的合成与分解的演示仪。通过课堂演示实验，直观地揭示力的矢量性及力的合成与分解规律，可帮助学生构建正确的力的概念，掌握矢量的运算法则。

一、演示教具的设计与制作

设计原则：(1)定滑轮可改变力的方向，力的大小不变；(2)绳子可等值地传递力的大小，并体现力的方向；(3)砝码的重力满足G= mg 。

制作过程简介：选一块厚度约3 cm，长、宽为50 cm×40 cm的软质木板，木板上端设置挂钩，可使木板竖直悬挂于黑板上。选同型号轻质滑轮，以细铁钉(或粗针头)为滑轮的轴，将定滑轮的轴固定在木板上的不同位置。从一个节点出发，引出二或三根细线，绕过预设的定滑轮并悬挂适当质量的砝码，即可进行二力平衡、三力平衡及力的合成与分解的实验演示。图1所示为演示仪的实物图。

图1 演示仪实物图

二.实验演示与分析

1.二力平衡的演示

如图2所示，用一根细线绕过两定滑轮，并悬挂质量相同的砝码，则会出现两砝码静止的平衡状态。在滑轮之间的线上选择一点P，则P点受到绳子向两侧的拉力F1，F2的作用，且为一对平衡力，于是F1=F2。

图2 二力平衡示意图

2.力的合成与分解的演示

(1)二共线力的合成与力的共线分解

如图3所示，保持图2中F1不变，将F2用同向向右的两根绳子的拉力F3，F4代替，使P点受力平衡。则F3+F4=F2。即同方向的二力F3，F4可合成为力F2。也可以认为力F2可分解为同方向的二力F3，F4。实验中若用方向相反的二力F3，F4代替F2，即可得出反方向二力的合成与分解。

图3 同向二力的合成与分解

(2)任意夹角的二力的合成与分解

图4 任意夹角二力的合成与分解

演示时，各力的大小由砝码重力给出，力的夹角由量角器量出，可通过列表的方式，让学生比较F2的大小与F3，F4合成的结果，验证力的平行四边形法则。同时，通过反复演示，可证实给定二力的合力是唯一的，而同一个力分解为二力时，可有无穷种分法。至于多个力的合成与力的多项分解，可依据二力的合成与分解的方法，通过多次合成与分解完成。

三、结束语

本文介绍的演示仪制作方便，当选用的砝码质量在50 g～100 g范围时，绳子自身的重力与定滑轮的摩擦力影响很小，演示结果可靠。演示仪可挂在黑板上，便于学生观察。通过我们多次教学实践，借助演示实验，实施力的合成与分解一节的教学，有利于激发学生探究性学习兴趣，可帮助学生自主构建力的矢量性及力的合成与分解的规律。

参考文献

[1] 应周武.实验教学中学生创新思维能力的培养[J].物理实验,2007,27(1):24.

[2] 冯楠,王林.自制力的合成与分解演示仪[J].物理通报,2014(10):70.

[3] 付红周.自制力的合成与分解演示器[J].物理教学探讨,2007,25(1):58.

作者信息

闫彬彬，在读本科生。李耀宗，本科，副教授。华雪侠，硕士，讲师。赵宇，在读本科生。喻盛欢，在读本科生。咸阳师范学院，712000

*基金项目：咸阳师范学院大学生创新创业计划项目(编号：201410722026)。