自制二力平衡演示器

湖北省十堰市竹溪县城关初级中学 刘永树 李家银

人教版八年级物理下册第八章第二节中探究二力平衡条件的实验装置如图1 所示。

图1 教材中探究二力平衡条件的实验装置

使用该装置探究二力平衡的条件时，由于小车与木板之间存在较大的摩擦力，若选用的砝码质量较小，即使两边的砝码个数不同，小车仍有可能保持静止，无法验证在同一直线上大小不等、方向相反且作用在同一个物体上的两个力是否为平衡力。而在探究“不在同一直线上的两个力是否平衡”时，需将小车旋转一定的角度后松手，此时如果绳子的拉力很小，小车有可能不旋转。此外，小车不能被切割，无法验证在同一直线上大小相等、方向相反且作用在不同物体的两个力是否为平衡力。

为解决上述问题，我们使用实验室的部分器材和生活中的用品，自制了二力平衡演示器。

一、实验材料

线路板1 块，支架1 个，演示滑轮3 个，起子1 把，硬纸片1 张，质量相同的钩码若干，长螺钉6 个，棉线若干。

二、制作过程

（一）将演示滑轮中的两个小滑轮的螺钉拆下，用长螺钉将两个滑轮（滑轮1 和滑轮2）分别安装在线路板左、右两边高度相同的小孔中。

（二）将第三个演示滑轮（滑轮3）安装在线路板上与滑轮1、滑轮2 高度不同的小孔中。

（三）在硬纸片的对角线上钻孔，让棉线从小孔中穿过，并在棉线的两端系上钩码。

（四）在线路板上端的中心位置安装金属片标签，将标签上带箭头的直线AB作为参照物，观察硬纸片上的红线CD相对于AB的位置。

图2 二力平衡演示器

（五）在线路板上画一条斜线EF。

三、实验过程

（一）实验一

1.实验过程

选用滑轮1 和滑轮2，在硬纸板上系好棉线，让棉线越过滑轮1 和滑轮2。在棉线两端各挂相同数量的钩码，让CD与AB重合，硬纸片在水平方向受拉力F1、F2的作用。松手后，硬纸片相对标签始终保持静止。

2.实验结论

作用在同一物体、同一直线上方向相反、大小相等的两个力是平衡力。

图3 探究两个力大小相等时对平衡条件的影响

（二）实验二

1.实验过程

换用滑轮1 和滑轮3，在硬纸片上系好棉线，让棉线越过滑轮1和滑轮3。在棉线两端各挂相同数量的钩码，让CD与EF重合，松手后，硬纸片相对于EF始终保持静止。

2.实验结论

作用在同一物体且在同一直线（不一定水平）上大小相等、方向相反的两个力也是平衡力。

图4 探究两个力在同一直线上时对平衡条件的影响

（三）实验三

1.实验过程

选用滑轮1 和滑轮2，在棉线的两端挂不同数量的钩码。让CD与AB重合，松手后，观察CD与AB的距离，由此判断硬纸片运动的轨迹。

2.实验结论

作用在同一物体、同一直线上方向相反、大小不等的两个力不是平衡力。

（四）实验四

1.实验过程

选用滑轮1，用棉线系好硬纸片越过滑轮1。在棉线的两端各挂数量相同的钩码，让两根棉线的拉力方向相同。使CD与AB重合，松手后，硬纸片的位置发生了变化。

2.实验结论

作用在同一物体、同一直线上大小相等、方向相同的两个力不是平衡力。

图5 探究两个力方向相同时对平衡条件的影响

（五）实验五

1.实验过程

选用滑轮1 和滑轮2，在棉线的两端各挂数量相同的钩码，拉住硬纸片向标签的下方移动，使两个拉力的方向成一定夹角。松开硬纸片，硬纸片向上移动。

2.实验结论

作用在同一物体上，大小相等、方向相反、不在同一直线上的两个力不是平衡力。

（六）实验六

1.实验过程

选用滑轮1 和滑轮2，在棉线的两端各挂数量相同的钩码。将硬纸片旋转一定的角度，使拉硬纸片的两根棉线相互平行，但不在同一直线上，即让两个拉力不在同一直线上。松手后，硬纸片做旋转运动。

2.实验结论

作用在同一物体上，大小相等、方向相反、不在同一直线上的两个力不是平衡力。

（七）实验七

1.实验过程

选用滑轮1 和滑轮2，在棉线的两端各挂数量相同的钩码，拉力F1的作用点G和拉力F2的作用点H均在同一片硬纸片上，硬纸片始终保持静止。用剪刀将硬纸片从中间剪开，F1的作用点G在左边的纸片上，F2的作用点H在右边的纸片上。松手后，纸片位置发生了变化。

2.实验结论

作用在同一直线上，大小相等、方向相反、在不同物体上的两个力不是平衡力。

图6 探究两个力作用在不同物体上时对平衡条件的影响

四、实验效果

由以上七个实验可得出：作用在同一物体上（同体）的大小相等（等大）、方向相反（反向）、在同一直线上（共线）的两个力是平衡力。

利用自制教具演示实验后，学生充分理解了“作用在同一物体上”是指两个力的作用点在同一个物体上，“同一直线”既可以是水平直线，又可以是斜线。

自制二力平衡演示器虽然消除了水平方向上的摩擦力对实验现象的影响，但硬纸片的重力会影响实验结果。为了消除这一影响，可选用质量较轻、体积较小的纸片。