《力的合成》实验装置的改进

李宽宏

[摘要]2016年12月第2版普通高中课程实验教科书物理必修1第三章中《力的合成》这一实验完成了从验证性实验到探究性实验的质变，在操作上也方便了不少，但仍存在一定的不足。基于此，对《力的合成》的实验装置进行改进，以解决相关问题。

[关键词]力的合成 实验装置 改进

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《全日制普通高级中学教科书（必修）物理第一册》第一章第5节《力的合成》的演示实验是这样完成的：“如图所示，图甲表示橡皮条GE在两个力共同作用下，沿着直线GC伸长了EO这样的长度。图乙表示撤去F1和F2，用一个力F作用在橡皮条上，使橡皮条沿着相同的直线伸长相同的长度。力F对橡皮条产生的效果跟力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的方向上各作线段OA和OB，根据选定的标度，使它们的长度分别表示F1和F2的大小，如丙图。以OA和OB为邻边作平行四边形OACB。量出这个平行四边形的对角线OC的长度，可以看出，根据同样的标度，合力F的大小和方向可以用对角线OC表示出来。改变力的大小和方向，重做上述实验，可以得到同样的结论。”改变力的大小和方向，重做上述实验，说起来容易，但做起来难。根据笔者的经验要先确定好0点的位置，再画出水平线GC并确定中心滑轮的位置，一手握住橡皮条的左端，一手在中心滑轮右侧挂5个钩砝并确定E点和G点的位置，再用数学的方法先确定F1和F2的方向并确定安放上下滑轮的位置。这样才能符合“3、4、5”的“勾股定理”关系。经全国中小学教材委员会2004年初审通过的2006年12月第2版的普通高中课程实验教科书物理必修1第三章《4力的合成》中，演示实验改用两個弹簧秤来完成，完成了从“验证性”实验到“探究性”实验的质变，在操作性上也方便了不少。但这一改进仍有不足之处，主要有三个方面：①弹簧秤自身重力对实验有一定的影响；②弹簧秤不便读数，不适合演示；③需要两人合作方可顺利完成实验。

笔者利用装置解决这些问题。此装置看似与上面的装置没多大区别，实则大不相同。首先，滑轮的位置是可以随便安放而无须预先设定；其次，每个滑轮下面所挂钩码个数不必满足“3、4、5”的特殊关系。

该装置的优点如下：①可操作性强，一个人即可完成。②可把实验“数据”长时间定格在学生眼前，便于观察，使物理“过程和方法”更加生动有趣。③每一根细线下方可挂的钩码个数不是事先限定的，在一定的范围内随意选取，还可以用不同级别的钩码搭配，说明力的合成不限于特定值。④本装置还可完成实验：a.通过改变每根细绳下面钩砝的个数，找到合力与分力的大小关系，合力的范围是|F1-F2|≤F≤|F1+F2|。b.探究：两个分力分别是3N和4N，其合力是5N的情况有几种？左边一根细绳下挂3个钩码，右边一根细绳下挂4个钩码，中间一根细绳下挂5个钩码时，不论用手把节点移到什么位置，松手后节点一定会“回”到“原来”的位置重新平衡，说明分力的合成有唯一性。c.当两边细绳下挂的钩码数不变而中间的细绳下挂的钩码数减少时，中间细绳上升，两边细绳间的夹角变大，可探究合力大小与分力间夹角的关系。d.将中间钩码竖直向下拉一段距离后自由释放，可观察到钩码上下振动，最高点和最低点都不是平衡位置，上上下下但最高点和最低点的位置却“从不改变”。可以让学生初步感受能量守恒。这种上下振动的情境对将来解决类似情况的问题会有很好的启发作用。

当然，这个装置也还有不足之处，以两边的细绳的拉力作为分力，其合力是与中间钩码的重力相平衡的竖直向上的一个力，不能直接显现。笔者先用两枚大号的钉子直接钉在黑板上方代替滑轮做这个实验，但由于阻力太大不能成功；后用初中科学课实验中的滑轮，较难固定，且阻力也很大。再用铝合金推拉窗内的滑轮，固定在一块一米见方的木材上，效果较好，但悬挂困难，钩砝容易与黑板下方的粉笔槽擦碰，影响实验演示；最后买来几个小型带轴承的专用滑轮固定在方木板上，在方木板背后安上几只“脚”，使其离黑板平面一定距离且碰不到粉笔槽，从而获得了较为理想的效果。

在这个实验装置的改进中，笔者虽付出了一定的时间和精力，但是能让课堂更加生动有趣，使学生学习物理的兴趣更加高涨，使物理课成为学生的期待，让学生有一个别样的“过程与方法”。

（特约编辑 安平）