自制教具演示“探究求合力的方法”

路慧奇 李果

摘要：“探究求合力的方法”的实验是高中物理的重要实验之一，对于学生建立矢量的空间关系、确立矢量运算法则等方面具有不可替代作用。自制实验教具“三角形演示仪”能够使学生直观地认识到分力与合力之间的空间位置关系、高效地做出关于求合力方法的平行四边形关系的猜想，同时，自制教具可以使学生更为主动地参与实验，有利于物理兴趣的保持和增强。

关键词：探究求合力的方法;自制教具;演示

物理是一门以实验为基础的学科。物理教材只是为施教者和学习者提供一种可能的学习载体，教材中提供的实验器材和方案也只是为课堂学习提供了一种可能的方法。教师可以根据教学实际创新实验方案，改善实验课堂的生态，使实验简单、新颖、有趣，这也是演示实验的“职责”所在。当前，高中物理实验课的现状是“课时紧、内容多、时间少”，如何在有限的时间里高效地完成科学探究的目标，提升学生的科学探究素养是高中物理教师面临的一大课题。

问题的提出

在讲解高中物理人教版必修一第三章第四节《力的合成》中，对于探究求互成角度的两个分力的合力的方法中，课本采用的探究方法能够给学生以清晰的探究思路，但不够直观，难以使学生快速地建立起合力与分力之间的直观的空间几何关系，为此，教师可以通过改进演示实验达到更加直观的效果。

笔者在讲解本节课时，利用实验室中极易获得的器材，通过简单组装，得到一套实验演示装置，由于用到了铁架台和定滑轮且构造出了一个直观的三角形，姑且将之命名为“三角形演示仪”。

自制装置介绍

器材简介 两个铁架台（带有铁夹）、两个定滑轮、两个带有螺母的长螺丝钉、细线及钩码若干。

组装方法 如图所示，先将定滑轮挂在螺丝钉上，并用螺母固定，再将螺丝钉用铁夹固定在合适的高度处，并调整好定滑轮的位置，使两个定滑轮的轮槽基本在同一竖直面内，用细线做三个绳套并将它们连接于一点，在每个绳套上挂上适当数量的钩码。这样，一个可以直观演示合力与分力关系的“三角形演示仪”就组装成功了。

装置的优点 一是便于就地取材。一般的高中物理实验室中都能找到上述装置所需器材，不需要再额外购置，具有很强的可行性。二是便于组装。将所需组件准备就绪后，组装的工作可以由教师来组装，当然，如果能够让学生自行组装，实验的印象想必会更好。三是便于携带。装置中所用到的所有器材都可拆卸，便于搬运，组装所需时间也就是一两分钟的事情。所以，上述装置具有很好的经济性、便携性和可行性，便于开展实验探究。

课堂演示效果

在课堂演示环节，可以分以下几个环节引导学生经历教材所需的科学探究的过程。

提出问题 同一直线上的两个分力的合成满足“同向相加，反向相减”的规律，这是一种标量运算法则。如果两个分力不在同一直线上，还可以用此方法计算它们的合力吗？

观察现象 在“三角形演示仪”的三个绳套上，分别挂上适当数量的钩码。在中间绳套上挂上5个钩码，两侧绳套分别挂上3个、4个钩码，使系统处于静止状态。

可以看到，三根细线的拉力大小分别等于3个钩码的重力、4个钩码的重力和5个钩码的重力，为叙述方便起见，这三个拉力的大小分别记为3、4、5。如果以上方的两根细线的拉力为分力，则两个分力（3和4）的合力大小为5，方向竖直向上。

3和4的合力等于5，这里使用的运算方法显然不是简单的加减关系了。3和4的和在什么情况下等于5？经过思考，学生的脑海中会蹦出一个熟悉的直角三角形，即“勾三股四弦五”。这样，一种空间的几何关系在学生的脑海中初步成型。

提出想法 看来，合力与分力之间有可能会存在一定的空间几何关系。为了明确它们之间的关系，请学生来测量两个分力3、4之间的夹角，经过测量，发现它们之间的夹角是直角。接下来，教师引导学生尝试采用作图的方法，画出合力5与两个分力3、4之间的空间几何关系，学生通过讨论交流，画出了一个矩形，即以3和4为直角边、5为竖直方向对角线的矩形。此时，学生可以清楚地看到：合力与分力大小之间不再是简单的加减关系，它们的方向也不再是一维的关系，而是一种二维关系，即合力的方向夹在两个分力的方向之间。

合力与分力之间是一种矩形关系吗？一组实验数据不足以说明问题。接下来，我们在三个绳套上都挂上3个钩码，这时，两个分力与合力的大小都是3，3+3=3？通过测量学生发现两个分力3和3之间的夹角是1200，这样，依据同样的方法，学生会画出一个位于竖直平面内的菱形，合力的方向仍然夹在两个分力的方向之间。这样，在学生的心中进一步加深了合力与两个分力是一种空间的方位关系的认识。

在上述兩组演示实验数据的基础上，引导学生通过比较来发现它们的共同点，尝试找出合力与分力之间的关系。

合力与分力之间到底是一种怎样的几何关系呢？我们通过比较发现，矩形和菱形的共同特征是：它们都是平行四边形。

形成猜想 在这个平行四边形中，平行四边形的两个邻边表示两个分力，它们之间所夹的对角线表示合力的大小和方向。这样，学生可以自然做出猜想：合力与分力之间满足平行四边形的关系。但是演示实验的两组数据毕竟过于特殊，猜想是否具有一般性呢？此时，学生已经产生了强烈的探究欲望。

设计实验，验证猜想 学生当然可以使用这一套演示装置来完成数据的采集、用图示法处理数据、基于证据得出结论等探究环节。

效果及思考

通过自制简易演示装置“三角形演示仪”有利于探究实验更顺利进行  课本上的演示实验虽然可以让学生认识到求合力的方法不再是加减运算，但究竟合力与分力是一种怎样的量的关系，由于猜想探究的空间太大，不利于学生做出明确的判断。

“三角形演示仪”通过两组特殊情形（即3、4、5和3、3、3）的演示，可以使学生快速建立合力与分力之间的空间几何关系，方向明确，空间感强，避免了学生漫无目标的找寻，节省了时间，提高了探究的效率。

自制简易演示装置“三角形演示仪”使学生印象更为深刻 教学中发现，很多学生对于曾经做过的某个实验总是记忆模糊、印象不深，究其原因在于学生的思维参与度不够、代入感不强，这与实验缺乏创新、学生按照既定步骤来操作因而是被动实验有关。为了解决这一问题，需要教师引导学生尝试采用新的实验设备，创新实验情境，改善实验状态，使学生具有更强的实验操作感和成就感。本实验中，由于探究装置的改进，探究方向更加明确，学生更容易把握合力与分力之间的关系，这样的探究，学生更容易深入进去，因而会更加感兴趣。在教师演示实验的引导下，学生顺理成章、自然而然地得出合理化的猜想，由此乐意通过自己动手实验去验证猜想的正确性，为后续的实验验证奠定了良好基础。

自制简易演示装置使物理更有魅力 物理来自于生活，生活中处处皆物理。本实验从几个简单器材组装起来的演示装置，经过适当的运用，就可以揭示一个深刻的物理运算规律，可谓是以小见大。学生会充分感受到物理实验的魅力，同时，学生也会认识到：实验就在身边，真理随处可见！实验装置的易获得性、易操作性，以及巨大的成就感都会成为激励学生投身物理学习的热情之源。

自制教具的开发就在身边 高中物理教师无疑是教师中比较忙碌的一个群体了，但正所谓“处处留心皆学问”。由此可以通过以下途径来开发实验教具。

一是网络、电视资源。当前网络、电视资源丰富多彩，其中不乏一些兼具趣味性和科学性的视频资料、节目，可以结合课堂学习的需要，对上述资源进行加工整理，也可以将视频节目加以剪辑，为教学所用。

二是开发与物理习题相关的小实验。很多物理题都有一个实验情境，有些是学生难以理解的，如果教师能通过实验的方法，不仅有助于学生解答试题，还有助于培养学生采用实证的方法来解决物理问题的意识，同时丰富物理的实验资源。

三是将玩具、家用电器加以改进或者直接加以利用。例如，讲解功能关系时，可以把小朋友们的过山车玩具搬过来演示;讲解电动机的启动电流时，可以将玩具风扇中的电动机拆下来接入实验电路，等等，这样可以使学生充分体会到生活即物理，便于实验的生活化。

四是改进实验器材。课本上提供的实验方案往往是在一定情境下进行才能观察到明显的现象。例如，对于断电自感现象的演示，如果利用一般的小灯泡来演示的话，不论怎么调整线圈的自感系数，总是难以看到“闪亮”现象，这时，如果将小灯泡换为发光二极管，只需要一般的线圈并联，就会有很好的效果。所以，教师要通过摸索、开发实验资源，尽可能地为学生提供丰富的感性材料，让学生不再觉得物理是“冷冰冰”的。

五是要多借鉴。“它山之石，可以攻玉。”尽可能参加外地的讲课活动，这些课堂上涌现了大量的、优秀的实验资源，为什么不拿来用呢？相信只要我们留意，总会收获并积累大量、有用的实验资源。

六是要推进实验的现代化。物理实验演示不能只停留在传统水平上，可以借助信息化技术设计演示、模拟实验，帮助学生理解难于理解的现象，如可以借助PPT的动画功能演示波动现象等，也可以借助DIS实验系统让实验更具备现代感。

结束语

高中物理的学习需要借助于大量的演示实验来为学生呈现丰富多彩的物理现象，这些现象將有助于学生理解感到“冰冷”的物理概念和规律，有助于拉近学生与物理之间的“感情”，同时，实验对于提升学生的物理核心素养，尤其是在科学探究素养的培育具有不可替代的作用。作为物理教师，应努力开发、尽最大可能地为学生搭起一片美丽的实验星空。

【基金项目：本文系河南省教育科学“十三五”规划一般课题《高中物理课堂演示实验的研究与开发（课题编号：2018-JKGHYB-093）》研究成果】

参考文献

[1]郑志湖.以学为中心，回归教育本源[N].中国教育报，2018.

[2]满雨辉.浅谈在“探究求合力的方法”实验中的几个做法[J].牡丹江教育学院学报，2012（1）.

[3]冯楠，王林.自制“力的合成与分解”演示仪[J].物理通报，2014（10）.

（作者单位：河南省平顶山市第一中学）