简易力的合成演示器的制作和使用

简易力的合成演示器的制作和使用“力的合成”法则在初中和高中物理教学中虽然在内容和理解层次上有所不同，但都是这两个阶段涉及的力学知识中的重点和难点问题。多年的教学经验证明，通过实验为学生提供尽可能精确的事实性实验依据是帮助学生正确理解这一问题的最关键所在。为此，笔者设计了一套制作简单，易操作，且实验现象明显的“力的合成演示器”装置，观介绍如下，供大家参考。1器材直径约5cm、规格相同的滑轮3个，长80cm、宽60cm、厚约2～3cm的木板一块，长约5～6cm、劲度系数较小的弹簧一根，长约60cm一端带挂钩的光滑尼龙线3根（最好是钓鱼竿上用的钓丝）。2制作将木板的一面创光，涂上黑板漆，制成一块教学用黑板后固定在支架上，将三个滑轮和弹簧用钢钉按实验装置图1所示规格固定在木板上（要求：在固定上述器材时，必须使滑轮上边缘和弹簧右端的挂钩保持同一直线，并且滑轮和弹簧都离开板面一定距离，以避免弹簧和操作过程中所控物体和钩码与极面摩擦产生较大误差），力的合成演示器就制成了。3操作过程及实验目的3．1帮助初中学生归纳总结同一直线上二力的合成法则（1）演示同一直线上、方向相同的两个力的合成。如图2（a）所示，将两根带挂钩的尼龙线固定在弹簧的挂钩上，分别绕过滑轮2和3，在滑轮2上挂3个钩码，在滑轮3上挂2个钩码，用粉笔标记出弹簧末端伸长到的位置O点，然后按装置图2（b）所示，撤去滑轮3上的丝线，将滑轮2上挂5个钩码，我们看到弹簧会同样伸长到O点位置该实验通过比较弹簧伸长到的长度和弹簧的伸长（或缩短）直观的为学生展现出同一直线上、方向相同的两个力的合力的大小和方向。（2）演示同一直线上、方向相反的两个力的合成。如图3（a）所示，将两极带挂钩的尼龙线固定在弹簧的挂钩上，分别绕过滑轮1和2，在滑轮1上挂2个钩码，在滑轮2上挂3个钩码，标记出弹簧末端伸长到的位置O’点，然后如图3（b）所示，撤去滑轮上的所有钩码和滑轮1上的丝线，在滑轮2上挂1个钩码，我们看到弹簧也同样伸长到O’点位置。用最直观的实验事实为学生展现出同一直线上、方向相反的两个力的合力的大小和方向。3．2帮助高中学生归纳总结互成角度的二力合成法则说明：如装置图4、图5、图6所示图中的研究对象C是完全相同的物体，三图中用来吊起研究物体的是同一些完全相同的钩码。将三个滑轮均沿钢钉向外移动3－4cm以挂上物体不与木板摩擦为准。操作过程和实验目的：（1）如图4所示，在滑轮2的一边挂一物体，另一边挂上相应的钩码，让物体和钩码处于静止状态，记下滑轮右边所挂钩码个数，并根据钩码重力求出物体所受重力C。（2）按图5所示，在滑轮1和2上挂好物体和钩码，通过调节两边钩码个数使物体和钩码处于静止后，用锚点法根据钩码重力沿悬线AB和AC在木板上作出拉物体的两个力的图示，然后由读出的物体重力作出合力的图示AD，将合力与其两分力的端点连接起来，即可得到一个平行四边形。从而引导学生归纳总结出互成角度的二力合成遵循平行四边形定则（3）按图6所示，在滑轮1和3上挂好物体和钩码，重复步骤2的操作过程。不仅可以为学生进一步验证“互成角度的二力合成遵循平行四边形定则”这一结论，而且可以通过让学生分析比较步骤2和步骤3中两分力的夹角大小变化引起的合力大小的变化，引导学生归纳总结出合力大小与两分力夹角之间的关系──即在两分力大小不变的情况下，合力大小随两分力夹角的增大而减小（或在合力大小不变的情况下，两分力随其夹角的增大而至少有一个力增大）。