自制“共點力平衡條件、力的合成法則”探究儀

李立朋

（惠州市小金口中學，廣東 惠州516023）

1 引 言

研究共點力平衡條件，通常選擇三力平衡，傳統方法需要測出各力大小和方向，然后作出各力的圖示，由于力的測量誤差較大，力的圖示不準，實驗不理想，說服力不強，學生疑問很多.實驗準確性是教師和學生們最想突破的問題，本儀器用彈簧伸長長度表示力，利用圓框線夾固定各拉力，結果準確，操作方便，適合學生利用本儀器自主探究三力平衡條件，驗證力的平行四邊形定則.

2 原 理

共點力作用下物體平衡條件為合力為零，如受三力作用，有推論任意兩力合力與第三個力等值反向，可借助力的圖示進行研究.

對彈簧，在彈性限度內，彈簧伸長與彈力成正比，勁度系數相同的彈簧，各彈簧受力與其伸長成正比.本實驗中，小圓環片受3個彈簧拉力作用處于平衡狀態，以彈簧伸長的長度作為該力圖示線段長度，測出每條彈簧伸長的長度，并確定拉力的方向，作出3個彈簧拉力的圖示，即可探究小圓環片靜止時受力平衡條件，驗證力的平行四邊形定則.

3 儀器設計及使用方法

演示儀實物圖如圖示1所示，由3條完全相同的彈簧、小圓環片、指示標志、拉力固定圓環（半徑17.0cm）、指示標志等構成.

圖1 演示儀實物圖

使用方法：

1）確定半徑在A3紙上畫圓.如圖2所示，將兩彈簧對拉后自然伸直對接放在1張A3紙上，2個指示標志間距離即為圓直徑D.在紙中心定好圓心O，畫一直徑為D的圓.2）小圓環片受彈簧拉力時，測量彈簧伸長長度和方向，在A3紙上做好記錄.

圖2 彈簧自然伸直狀態下確定直徑

如圖3，小圓環片在三彈簧彈力作用下處于平衡，移動探究儀與A3紙相對位置，使小圓環片的圓心與白紙中心重合，這時在白紙上記下各條彈簧指示標志位置A，B，C及標示細繩拉力方向A1，B1，C1.移開探究儀（不要改變探究儀彈簧彈力，后面誤差檢查要用），直線連結OAA1，OBB1，OCC1，與圓相交D，E，G，則3條彈簧伸長長度分別為DA，EB，GC，如圖4（說明：為使作圖更準確，各拉力大小確定分別用了A，B，C三個點，方向確定分別用了A1，B1，C1三個點）

圖3 彈簧處于平衡狀態

3）作出小圓環片受拉力的圖示，找出三力平衡條件.

分別在OA，OB，OC三條直線上作出三彈力的圖示F1，F2，F3，利用平行四邊形定則求出任兩力的合力，比較這個合力與第三個力的關系，探究3個共點力作用下物體平衡條件：任兩力合力與第三個力等值反向，驗證力的平行四邊形定則，如圖4所示.

圖4 受力分析

4）分析誤差來源，對作圖修正.

將剛才移開的探究儀放在作好各力的圖示的A3紙上，移動探究儀位置，使圓心及各力一一對應再次重合，檢驗作圖誤差，分析誤差來源，如圖5所示.

圖5 誤差分析

5）改變拉力大小及方向，重做實驗.

結論：物體在3個共點力作用下平衡條件為任意兩力合力與第三個力等值反向，力的合成遵循平行四邊形定則.

本儀器直接用彈簧伸長長度表示該力圖示線段長度，實驗結果準確，操作方法簡單，與傳統方法比較，這一方法降低了實驗難度，同時也減小了實驗誤差.

采用拉力固定圓環拉彈簧，降低了實驗操作難度，同時也使小圓環受彈簧拉力得以保留，為后來作圖誤差校驗提供保證.

在進行探究實驗時，儀器要在水平面上操作，彈簧設計略高于紙面，這樣可以消除摩擦力影響而又方便操作，彈簧自身重力對3個彈簧彈力產生影響相近，這樣可以不用考慮彈簧自身重力.

注意事項：

1）彈簧校驗：將兩彈簧對拉，要求兩彈簧伸長長度相等.如不等，可通過調節三角片位置，直到對拉時兩彈簧伸長量相等.

2）為減小實驗誤差，實驗時注意拉力要大些，但不要超過彈簧的彈性限度，削尖鉛筆作圖有利減少誤差.

3）保持環境干燥，勿與酸堿物接觸，以免銹蝕彈簧和固定圓環.

4 結束語

在講授共點力平衡條件這一知識點時，用本儀器讓學生進行探究，分組實驗2人1組，效果很好，在介紹了儀器的原理和使用方法后，學生開始實驗，10min后，三力平衡圖示結果已得出，學生有讓教師過去肯定結果的，有不同組間誤差比較誰更準確的，有重新校驗找尋作圖誤差的，有改變拉力大小和方向重新實驗的，有不同組間進行交流的……，整節課研究氣氛活躍，本節課的知識內容借助實驗器材，學生很好地掌握了.顯然，學生在討論實驗誤差原因時，已經自覺運用力的合成知識分析討論，使所學知識得以升華.

［1］劉乃強.力的合成演示儀［J］.物理實驗，2007，27（9）：23-24.