量化“拱形的力量”實驗

鄭利軍

Experiment of Quantifying “Arched Power”

ZHENG Lijun

（Changshan Huibu Central Primary School， Quzhou， Zhejiang 324213）

中圖分類號：G424??????????????? 文獻標識碼：A???????????????? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2021.02.041

拱形結構的特點是把受到的壓力分解成向下的壓力和向外的推力。學生在測試紙拱承重能力時，只能看到拱足向外推，但這個外推力究竟有多大卻不得而知。我嘗試把教材中的實驗加以改進，通過量化的數據讓學生真實地感受到拱形的外推力。

實驗材料

木工板、卡紙、測力計、導軌、滑塊、鉤碼等。

制作方法

1.將木工板切割成一塊長100 cm、寬15 cm的木板，在木板的兩頭各釘上20 cm×15 cm的木板固定。

2.把長約60 cm的導軌用螺絲釘固定在木板中，把三個滑塊放在導軌中，中間放一個，兩端各放一個。

3.用卡紙制作成一個拱形，將拱形的拱足用雙面膠固定在導軌兩端的滑塊上。

4.在紙拱的兩端用錐子戳兩個孔，用棉線穿過兩個孔綁在測力計的兩端，把測力計放在中間的滑塊上。

使用方法

紙拱受力時會產生一個向下和向外的推力，當產生向外的推力時，會把實驗裝置中的測力計向兩邊拉伸，這時測力計的指針可以顯示拱形受壓時所產生的外推力。

實驗一：沒有抵住拱足，測試紙拱承受重物的能力，觀察拱的外推力。實驗中學生會發現，鉤碼壓在拱頂，拱足在滑塊上就會向外滑動，能清楚地看到紙拱所產生的外推力（如圖1）。

實驗二：抵住拱足，測試紙拱承受重物的能力。在實驗中會發現，在紙拱的拱足處抵住拱足，紙拱就能承受較大的重量（如圖2）。

實驗三：利用改進的器材測量紙拱產生的外推力，并驗證紙拱的承重能力與抵住拱足的力的大小關系。

分別測量拱頂沒有承受重物、放1個鉤碼重物和2個鉤碼重物時產生的外推力（如圖3），并記錄每次推力的大小。通過上面的實驗發現，當拱承受壓力時，測力計就會被拉伸，從而測出此時紙拱產生的外推力。根據實驗數據得出結論：拱承受的壓力越大，測力計顯示的數值就越大，拱的外推力就越大。

實驗優點

1.在紙拱下面加裝測力計，用直觀的數據讓學生對拱形的外推力由定性感受轉化為定量感知，讓學生真實地感受到紙拱產生的外推力，從而培養學生的數據意識，促進他們對科學概念的理解。

2.在紙拱下面加裝導軌和滑塊，當拱足受到向外推力時，拱足和接觸面會有較大的摩擦力，加裝導軌和滑塊會使摩擦力降低，能夠直觀地看到拱的外推力，使測量出來的數據更接近真實的外推力。

3.實驗裝置制作簡單，操作方便，可以重復使用。