探究共点力合成规律实验改进研究

杨佩霞 袁建平

摘   要：采用可移动透明双量程量角器及等高凹槽演示板，针对探究共点力合成规律实验的常规实验器材存在的缺点进行改进，从而减小实验误差，提高教学的有效性。

关键词：共点力合成;实验改进;等高凹槽演示板

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）5-0065-3

探究共点力合成规律实验是高中物理课程的一个重要内容。课标要求通过实验探究，理解力的合成与分解，知道共点力的平衡条件，区分矢量与标量，用力的合成与分解分析日常生活中的问题。而传统实验器材却在实验精度和有效性上存在一定的问题，故针对该实验的常规实验器材存在的缺点进行改进，从而减小实验误差，提高教学的有效性。

1    常用探究共点力合成规律实验存在的问题

对于教科版高中物理必修一中关于探究共点力合成规律的实验，教师通过课堂教学的实践，认为教材上的实验设计存在几个明显的缺点：

1.学生第一次用一個力将橡皮筋拉到等效点和第二次用两个分力将橡皮筋拉到等效点时，不能保证两次实验操作中的力处于同一平面，从而造成实验误差。

2.学生在实验时如果使用图钉对作图纸进行固定，操作起来非常不方便，也不能快速固定好作图纸，而且在实验过程中有可能移动作图纸，从而引起实验误差。

3.传统实验装置不能验证某些特殊角的力的合成。

以上实验缺点会导致学生实验操作过程中的体验感差，实验操作精度不高等问题，而且实验结论不够准确，严重挫伤学生学习的积极性。

2    实验的创新改进

2.1    探究共点力合成规律实验的改进思路

探究共点力合成规律实验的创新改进是在长期一线教学过程中对教材上的实验仪器和实验过程进行仔细研究、认真对比的基础上提出来的，主要是找出教材上的实验仪器在实验操作过程、实验数据记录、实验数据处理等方面的问题，并针对这些问题进行创新改进。在探究共点力合成规律实验的创新改进过程中，主要是优化了器材的构造，并在此基础上改进器材操作流程和步骤，从而实现科学地采集数据，简化了学生的实验操作流程，最终减小实验误差，提高了物理实验教学的质量。

本研究创新地采用可移动透明双量程量角器、等高凹槽演示板、强磁体、铁板等器材，克服了上述实验的不足。

2.2    改进后各器材的构造及作用

1.等高凹槽演示板

（1）制作中间凹陷的演示板（如图1所示）的目的是为了保证安放白纸、量角器后还能保证在同一平面上互成角度地拉细绳套，弥补了传统学生实验板不能够保证两次实验操作的力在同一平面上的不足。

（2）凹槽背面铺盖薄铁皮的目的是为了借助磁铁和铁皮的磁力固定量角器和作图纸的位置，同时还可以非常容易地移动到任意合适的位置，这样就克服了传统实验过程中作图纸不易固定、容易移动的问题。

2.双量程量角器

（1）量角器中心小孔方便用于确立等效点的位置（如图2所示）。

（2）小圆圈的作用是读出实验中任意两个分力的夹角;大圆圈的作用是探究互成30°、37°、45°、53°、60°、90°、120°等特殊角的二力合成，探究合力与分力在数学上的关系。

3.强磁铁及铁板

用于固定量角器、白纸的位置。

2.3    实验操作过程

1.验证任意角度力的平行四边形定则

（1）用量角器和强磁铁把白纸固定在水平方板凹槽上。（如图3所示）

（2）两个带细绳的弹簧测力计互成角度地将橡皮条拉到双量程量角器的中心位置O，记录力的大小及拉力的方向。在本实验步骤中注意以下两点：①细绳要与仪器台边缘靠近但不紧贴，这样做既保持了细绳与实验板平面平行，又减小了细绳与仪器台边缘的摩擦力。②只用两个弹簧测力计是因为本次实验只需要测量两个拉力的大小。（如图4所示）

（3）再用弹簧测力计将同一橡皮条拉到等效点O点。在本实验步骤中注意以下两点：①细绳要与仪器台边缘靠近但不紧贴，这样做既保持了细绳与实验板平面平行，又减小了细绳与仪器台边缘的摩擦力。②只用一个弹簧测力计是因为本次实验只需要测量一个拉力的大小。（如图5所示）

（4） 根据步骤（2）的实验结果，顺着两条细绳的方向画出对应力的图示F1和F2 ，以F1和F2为平行四边形的邻边画出对角线，F1和F2的合力F′就为对角线。

（5）用力的图示作出单独一个弹簧测力计的测量结果，使用同一标度画出对应的力的图示F。

（6）通过量角器读出F与F′的偏差角度，通过这一偏差角度进而判断在误差范围内力F与力F′是否相同。

2.探究特殊角度合力与分力的几何关系

探究互成30°、37°、45°、53°、60°、90°、120°等特殊角的二力合成，探究合力与分力的定量关系。（如图6所示）

2.4    改进的创新点

1.通过铁板、磁铁固定白纸，解决了力量小的学生难以用图钉压紧木板固定白纸的问题。

2.等高凹槽演示板的目的是为了安放白纸、量角器后，还能保证在同一平面内互成角度地拉细绳套。

3.加入量角器：①量角器中心小孔可方便用于确立等效点的位置;②用于验证常用的特殊角的二力合成规律。

4.此改进后的装置，不仅可以用于学生实验，还可以作为教师演示实验使用。

此改进实验装置已在笔者所在学校的高一年级试用，取得了明显的教学效果。老师们反映整个实验过程清晰，实验操作轻松、方便，实验现象明显，易于学生观察，实现了教学效果和效率的提高。

参考文献：

[1]周峰.“力的合成”演示实验的操作改进[J].中学物理教学参考，2005，34（4）：54.

[2]向晋丽.对“力的合成”演示实验的改进[J].教学与管理，2000（12）：59.

[3]张绍兵.对运动的合成和分解演示实验的几点改进[J].实验教学与仪器，2007（11）：21-22.

[4]罗小平.二力的合成演示实验的改进[J].中小学实验与装备，2009（3）：30.

[5]胡志龙.改进实验装置，增强演示效果——谈“运动的合成”演示实验的改进[J].物理教学探讨，2005，23（5）：62.

（栏目编辑    张正严）