力的合成與分解的實驗演示＊

閆彬彬 李耀宗 華雪俠 趙 宇 喻盛歡

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力的合成與分解的實驗演示＊

閆彬彬 李耀宗 華雪俠 趙 宇 喻盛歡

摘要：根據定滑輪可改變力的方向，保持力的大小不變的性質，借助砝碼的重力，制作了一種力的合成與分解的演示實驗裝置。介紹了力的合成與分解的實驗演示步驟。通過課堂演示教學，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：力；力的合成與分解；力的平衡；力的平行四邊形法則

課堂演示實驗是物理教學的重要環節，對激發學生的學習興趣、培養學生的探究能力、養成科學的思維方式及形成嚴謹的科學態度有重要意義[1]。在高中物理階段，物理量一般可分為標量與矢量兩種，表征物理學規律的公式與方程也有標、矢量之分。相對于標量的運算，矢量運算要復雜得多，其加法遵從平行四邊形法則。在物理學中一般通過矢量的坐標分解將矢量方程轉化為標量方程，以方便運算。力是物理學中最重要的概念之一，又是矢量，教學中力的合成與分解既是難點又是重點。我們制作了一種力的合成與分解的演示儀。通過課堂演示實驗，直觀地揭示力的矢量性及力的合成與分解規律，可幫助學生構建正確的力的概念，掌握矢量的運算法則。

一、演示教具的設計與制作

設計原則：(1)定滑輪可改變力的方向，力的大小不變；(2)繩子可等值地傳遞力的大小，并體現力的方向；(3)砝碼的重力滿足G= mg 。

制作過程簡介：選一塊厚度約3 cm，長、寬為50 cm×40 cm的軟質木板，木板上端設置掛鉤，可使木板豎直懸掛于黑板上。選同型號輕質滑輪，以細鐵釘(或粗針頭)為滑輪的軸，將定滑輪的軸固定在木板上的不同位置。從一個節點出發，引出二或三根細線，繞過預設的定滑輪并懸掛適當質量的砝碼，即可進行二力平衡、三力平衡及力的合成與分解的實驗演示。圖1所示為演示儀的實物圖。

圖1 演示儀實物圖

二.實驗演示與分析

1.二力平衡的演示

如圖2所示，用一根細線繞過兩定滑輪，并懸掛質量相同的砝碼，則會出現兩砝碼靜止的平衡狀態。在滑輪之間的線上選擇一點P，則P點受到繩子向兩側的拉力F1，F2的作用，且為一對平衡力，于是F1=F2。

圖2 二力平衡示意圖

2.力的合成與分解的演示

(1)二共線力的合成與力的共線分解

如圖3所示，保持圖2中F1不變，將F2用同向向右的兩根繩子的拉力F3，F4代替，使P點受力平衡。則F3+F4=F2。即同方向的二力F3，F4可合成為力F2。也可以認為力F2可分解為同方向的二力F3，F4。實驗中若用方向相反的二力F3，F4代替F2，即可得出反方向二力的合成與分解。

圖3 同向二力的合成與分解

(2)任意夾角的二力的合成與分解

圖4 任意夾角二力的合成與分解

演示時，各力的大小由砝碼重力給出，力的夾角由量角器量出，可通過列表的方式，讓學生比較F2的大小與F3，F4合成的結果，驗證力的平行四邊形法則。同時，通過反復演示，可證實給定二力的合力是唯一的，而同一個力分解為二力時，可有無窮種分法。至于多個力的合成與力的多項分解，可依據二力的合成與分解的方法，通過多次合成與分解完成。

三、結束語

本文介紹的演示儀制作方便，當選用的砝碼質量在50 g～100 g范圍時，繩子自身的重力與定滑輪的摩擦力影響很小，演示結果可靠。演示儀可掛在黑板上，便于學生觀察。通過我們多次教學實踐，借助演示實驗，實施力的合成與分解一節的教學，有利于激發學生探究性學習興趣，可幫助學生自主構建力的矢量性及力的合成與分解的規律。

參考文獻

[1] 應周武.實驗教學中學生創新思維能力的培養[J].物理實驗,2007,27(1):24.

[2] 馮楠,王林.自制力的合成與分解演示儀[J].物理通報,2014(10):70.

[3] 付紅周.自制力的合成與分解演示器[J].物理教學探討,2007,25(1):58.

作者信息

閆彬彬，在讀本科生。李耀宗，本科，副教授。華雪俠，碩士，講師。趙宇，在讀本科生。喻盛歡，在讀本科生。咸陽師范學院，712000

*基金項目：咸陽師范學院大學生創新創業計劃項目(編號：201410722026)。