自制晾衣架模型實驗裝置

馬順存 簡鵬

摘 要：高中物理教學中常出現晾衣架模型習題，為了讓學生更加直觀地理解抽象的物理模型，設計制作了一套晾衣架模型實驗儀器，介紹了該實驗儀器的制作、實驗操作過程以及該實驗儀器的創新點等.

關鍵詞：晾衣架模型;共點力的平衡;自制實驗儀器

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）13-0051-02

基金項目：湖南師范大學附屬中學教育科學“十三五”規劃2019年度課題“基于核心素養的高中物理實驗課程校本研究”（項目編號：FZJK19A12）.

作者簡介：馬順存（1984-），男，湖南湘潭人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理教學;

簡鵬（1983-），男，江西人，本科，中學一級教師，研究方向：中學物理教學.

高中物理教學中常出現晾衣架模型習題，在兩根豎直的柱子之間掛一根繩子，用光滑的衣架鉤掛在繩子上，再把需要晾曬的衣服掛在衣架上晾曬，這種模型我們稱為“晾衣架模型”[1].習題當中衣架鉤及衣服往往用滑輪及重物代替.這類習題中，往往繩子的端點和豎直桿是變化的.導致學生對于力的大小和方向的變化情況難以分析，往往是教學中的一個難點問題.因此，筆者設計制作了一套晾衣架模型實驗裝置，使抽象的情境直觀化，有利于學生的理解和問題的解決.下面以一個生活情境問題為例加以分析說明.

問題 如圖1所示，某建筑工地上，有一根不可伸長、柔軟的輕繩兩端分別系于A、B兩點上，一物體通過動滑輪懸掛在繩子上，達到平衡時，兩端繩子間的夾角為θ，繩子張力為F.現將繩子一端由B點緩慢移動到C點，再將繩子一端由C點緩慢移至D點，整個過程中不計摩擦.

（1）繩子一端從B點緩慢移動到C點的過程中，張力F是如何變化的？

（2）繩子一端從C點緩慢移動到D點的過程中，張力F是如何變化的？

解析：根據解決平衡問題的一般思路：（1）確定研究對象，以滑輪和物體整體作為研究對象;（2）對研究對象進行受力分析，整體受到向下的重力G和繩子兩端的張力F，由于是動滑輪，繩子兩端的張力大小相等.在三個共點力的作用下，整體處于平衡狀態;（3）應用平衡條件建立關系：沿水平和豎直方向建立坐標系.設左邊繩子的張力F與豎直方向的夾角為α，右邊繩子的張力F與豎直方向的夾角為β.于是列平衡方程得

水平方向Fsinα=Fsinβ

豎直方向Fcosα+Fcosβ=G

α+β=θ

解得α=β

2Fcosθ2=G

分析：題目中要求的是張力F的變化情況，由于G不變，解決本題的關鍵點就是判斷θ角度是如何變化的？繩子的右端由B點豎直移動到C點再由C點水平移動到D點的過程中，θ角的變化情況，學生很難理解，即使告知結論，學生往往也會對結論表示懷疑.因此，為了更直觀地展現θ角的變化情況，筆者自制了一套晾衣架模型實驗裝置.

1 實驗裝置及其制作

晾衣架模型實驗裝置如圖2所示，由固定面板及支架、滑輪及重物、細線、力傳感器、鋼尺及強磁鐵等組成.

主要材料：亞克力板（厚5mm）、滑輪、重物、細線、亞克力膠、力傳感器、鋼尺、強磁鐵、螺絲（M5）、亞克力棒（15mm、10mm）等.

制作步驟：

（1）裁切一塊600mm×400mm和兩塊400mm×100mm的亞克力板.用亞克力膠將三塊板粘成工字型，如圖3所示.在上下板前端角適當位置鉆5mm的孔.

（2）裁截兩根600mm長亞克力棒，兩端頂部鉆孔并攻絲5mm，兩端50mm位置鉆孔并攻絲5mm;裁截兩根360mm長亞克力棒，兩頭頂部鉆孔并攻絲5mm.

（3）制作如圖4所示活動柱，將20mm的塑料棒裁截成15mm長的圓柱，在圓柱中心鉆15mm的孔，圓柱側面鉆孔并攻絲5mm.

（4）如圖2所示，用M5螺絲將四根亞克力棒固定在面板上，在上側棒和右側棒中分別安裝一活動柱.

（5）在左側安裝力傳感器位置，裝一根10mm亞克力棒，固定并安裝好力傳感器.

（6）安裝好細線、滑輪及重物，面板前面放一鋼尺，后邊用強磁鐵吸住.實驗儀器即制作完成.

2 實驗操作

（1）安裝好實驗裝置，將細線右端掛在右桿的活動柱上.

（2）打開力傳感器，長按力傳感器的清零按鈕，將傳感器讀數清零.

（3）將細線左端掛在力傳感器掛鉤上，掛上滑輪及重物，記下此時力傳感器的讀數，同時將鋼尺方向調整為與細線平行方向.

（4）向下移動右端活動柱，細線右端從B點緩慢移動到C點的過程中，可以觀察到細線的方向一直與鋼尺方向平行，保持不變，θ角不變.同時觀察力傳感器的讀數也沒有發生變化.

（5）將細線右端掛在上桿活動柱上，細線右端從C點緩慢移動到D點的過程中，可以觀察到θ角變大，同時觀察力傳感器的讀數也變大.

由此得結論：繩子一端從B點緩慢移動到C點的過程中，張力F不變;繩子一端從C點緩慢移動到D點的過程中，張力F變大.

3 結束語

該實驗儀器美觀、尺寸適中，演示實驗時教室最后排的同學都能看到明顯的實驗現象[2].用彈簧秤來測量細繩的拉力，彈簧秤會隨著細繩拉力的變化而發生變化，對實驗結果有影響[3].本實驗裝置用的是具有數顯功能的力傳感器.鋼尺與強磁鐵組合可以方便觀察細線的方向是否發生了變化.活動柱以及柱上螺絲的設計，不僅可以使細線左右和上下移動方便、螺絲上可以掛細線、同時還可以擰緊螺絲將活動柱固定在亞克力棒上，便于穩定時傳感器讀數.

參考文獻：

[1]張巖松.晾衣架模型的解題策略[J].數理化解題研究，2020（34）：87-88.

[2]馬順存. 淺談自制實驗教學儀器的原則——以自制平行板電容器電容大小的影響因素實驗裝置為例 [J].教育與裝備研究，2018，34（12）：93-95.

[3]邵志慧，何少榮.搭建自制教具平臺突破高中力學習題中疑難問題的教學策略[J].中阿科技論壇（中英文），2020（10）： 133-136.

（收稿日期：2021-03-22）