力的分解演示仪的改进与拓展应用

刘伟

摘   要：随着信息技术和精密传感技术的高速发展，传感器广泛应用到了生产生活中，极大地提高了工作效率，也给人们的生活带来了便利。在全国很多地方，高中物理实验室引入了DIS系统（数字化信息系统），当中最为核心的部件就是各种类型的传感器。在DIS系统的帮助下，学生可以非常轻松地获取准确的实验数据，分析实验数据，得到实验结果，进而总结出物理规律。DIS系统除了能够应用到教材中设计的学生探究实验中，物理教师们也常会进行改装设计，用于物理场景演示实验或探究实验中，增强学生学习过程中的直观感受，加深学生对物理规律的认知深度。

关键词：DIS系统;力传感器;物理实验;动态平衡;应用

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2022）4-0052-3

高中物理“力学”部分的实验教学中，涉及到的学生实验是“探究力的合成规律”。在力的分解部分没有学生实验，但为了能够增强课堂教学的效果，物理教师们常自行设计实验进行课堂教学演示，在实验设计的过程中会用到力传感器。然而，对于力传感器的应用时常出现不规范、不正确的情况，导致实验演示失败。

1    问题的发现

笔者在一次教研活动中，观摩了一节物理课——“力的分解”。课堂一开始，授课教师在自制演示仪（图1）的动滑轮下面悬挂上重物，然后将两个力传感器从轨道中央沿轨道向两侧移动，在移动过程中，细绳突然断裂，由此引入课堂教学。

在课堂的最后，教师引导学生分析，为什么两个力传感器向两侧移动的过程中细绳会断裂？学生回答：“动滑轮两侧细绳上的拉力是相同的，在重物重力不变的情况下，两侧细绳之间夹角增大，所以细绳上的拉力随之增大，当拉力达到细绳的承受极限，细绳就会断裂”。回答结束后，授课教师将力传感器连接到电脑，随即开始实验演示。通过电脑屏幕显示的示数发现两个力传感器示数确实在增大，但是两个力传感器的示数却不相同，并且差距很大，这引起了课堂上听课教师和学生的注意。

仔细分析不难发现，问题出在力传感器上，目前中学物理实验室里用的力传感器，大多在传感器前端有一个应力杆。这样类型的力传感器[1]，在使用时，只有当外力沿着应力杆向外拉力传感器或者沿着应力杆向内压力传感器时，力传感器才能准确测量外力的数值。如图2所示，当轨道上的两个力传感器沿着轨道向两侧移动的过程中，图中绳上的拉力每时每刻都保持大小相等，即F=F'。两侧绳上的拉力因为没有沿着应力杆的方向，所以力传感器测量的数据并不是绳子上的拉力数值。另外，教师在移动两侧力传感器的位置时，没有保持两个力传感器关于半圆板对称轴对称，因此两侧细绳与力传感器应力杆之间的夹角不相同，导致两侧力传感器上的示数并没有保持每时每刻都相同，即F1≠F'1。

3.1    装置结构介绍

参考相关实验装置[2]，对力的分解演示仪进行优化与改进。改进后的演示装置由底座、左侧支架、定滑轮、右侧下支架、固定旋钮、右侧上支架、力传感器、动滑轮等部分构成，整体结构如图3所示。两个力传感器分别固定在左侧支架和右侧上支架上，在力传感器的上端安装定滑轮。安装定滑轮时，要保证力传感器应力杆引出的细绳跨过定滑轮后细绳的拉力方向与应力杆在同一直线上，这样就可以确保力传感器测得数据的准确性。右侧上支架和右侧下支架之间通过固定旋钮连接，右侧上下支架都有开槽，方便调整两个支架之间的位置。上支架在绕固定旋钮轴线转动时，便会改变动滑轮两侧绳之间的夹角，从而改变细绳上的拉力大小。

在高中力学部分，共点力的平衡是教学重难点，其中的动态平衡问题更是困扰着很多学生。他们在学习的过程中，只通过老师讲解，很难真正体会共点力作用下物体动态平衡的机理。如果在应用数学物理方法解析前，能够有演示实验或学生探究实验帮助他们认识、理解物理模型，定能达到事半功倍的效果。

动态平衡问题中就有这样一种类型的题目：

例 如图4所示，一根不可伸长的轻绳绕过光滑的滑轮后两端分别固定在两根竖直杆上的A、B两点，滑轮下悬挂一个物体并处于平衡状态。

（1）如果保持绳子固定点A的位置不变，使固定点B所在的竖直杆水平向左缓慢移动，问：在整个过程中绳上的拉力如何变化？

（2）如果保持绳子固定点A的位置不变，使固定点B沿竖直方向缓慢上下移动，问：绳上的拉力又如何变化？

物理是一门以实验探究为基础的自然科学，在物理教学中加强实验教学亦是落实物理学科核心素养的重要手段。通过实验演示、实验探究，能够有效培养学生的观察能力、团队协作能力、发现问题并解决问题的能力，促进科学思维的形成。本实验设计源于高中物理学习过程中出现的物理情境，此情境对应共点力作用下物体的动态平衡。通常情况下，教师在课堂上会结合数学、物理方法进行分析研究，缺乏了真实情境的感知过程，学生因为没有实景观察、体验，很难真正感知动态变化的机理。物理科学不应该是枯燥的，应该让学生带着自己的疑问与好奇，在实验中探索物理的奥秘，获得学习物理的乐趣。

参考文献：

[1]王璐，彭红梅，隋景忠，等. DIS 系统在物理实验教学中的应用[J].内蒙古民族大学学报（自然科学版），2021，36（2）：165-170.

[2]方卫红.自制“动态力的分解演示仪”[J].实验教学与仪器，2016，33（7）：95-96.

（栏目编辑    刘   荣）