李立朋
(惠州市小金口中學(xué),廣東 惠州516023)
研究共點(diǎn)力平衡條件,通常選擇三力平衡,傳統(tǒng)方法需要測(cè)出各力大小和方向,然后作出各力的圖示,由于力的測(cè)量誤差較大,力的圖示不準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)不理想,說服力不強(qiáng),學(xué)生疑問很多.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性是教師和學(xué)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(jié)果準(zhǔn)確,操作方便,適合學(xué)生利用本儀器自主探究三力平衡條件,驗(yàn)證力的平行四邊形定則.
共點(diǎn)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(gè)力等值反向,可借助力的圖示進(jìn)行研究.
對(duì)彈簧,在彈性限度內(nèi),彈簧伸長與彈力成正比,勁度系數(shù)相同的彈簧,各彈簧受力與其伸長成正比.本實(shí)驗(yàn)中,小圓環(huán)片受3個(gè)彈簧拉力作用處于平衡狀態(tài),以彈簧伸長的長度作為該力圖示線段長度,測(cè)出每條彈簧伸長的長度,并確定拉力的方向,作出3個(gè)彈簧拉力的圖示,即可探究小圓環(huán)片靜止時(shí)受力平衡條件,驗(yàn)證力的平行四邊形定則.
演示儀實(shí)物圖如圖示1所示,由3條完全相同的彈簧、小圓環(huán)片、指示標(biāo)志、拉力固定圓環(huán)(半徑17.0cm)、指示標(biāo)志等構(gòu)成.
圖1 演示儀實(shí)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(duì)拉后自然伸直對(duì)接放在1張A3紙上,2個(gè)指示標(biāo)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(huán)片受彈簧拉力時(shí),測(cè)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(tài)下確定直徑
如圖3,小圓環(huán)片在三彈簧彈力作用下處于平衡,移動(dòng)探究儀與A3紙相對(duì)位置,使小圓環(huán)片的圓心與白紙中心重合,這時(shí)在白紙上記下各條彈簧指示標(biāo)志位置A,B,C及標(biāo)示細(xì)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(jié)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(zhǔn)確,各拉力大小確定分別用了A,B,C三個(gè)點(diǎn),方向確定分別用了A1,B1,C1三個(gè)點(diǎn))
圖3 彈簧處于平衡狀態(tài)
3)作出小圓環(huán)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,F(xiàn)2,F(xiàn)3,利用平行四邊形定則求出任兩力的合力,比較這個(gè)合力與第三個(gè)力的關(guān)系,探究3個(gè)共點(diǎn)力作用下物體平衡條件:任兩力合力與第三個(gè)力等值反向,驗(yàn)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(duì)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(dòng)探究儀位置,使圓心及各力一一對(duì)應(yīng)再次重合,檢驗(yàn)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(shí)驗(yàn).
結(jié)論:物體在3個(gè)共點(diǎn)力作用下平衡條件為任意兩力合力與第三個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確,操作方法簡單,與傳統(tǒng)方法比較,這一方法降低了實(shí)驗(yàn)難度,同時(shí)也減小了實(shí)驗(yàn)誤差.
采用拉力固定圓環(huán)拉彈簧,降低了實(shí)驗(yàn)操作難度,同時(shí)也使小圓環(huán)受彈簧拉力得以保留,為后來作圖誤差校驗(yàn)提供保證.
在進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)時(shí),儀器要在水平面上操作,彈簧設(shè)計(jì)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(duì)3個(gè)彈簧彈力產(chǎn)生影響相近,這樣可以不用考慮彈簧自身重力.
注意事項(xiàng):
1)彈簧校驗(yàn):將兩彈簧對(duì)拉,要求兩彈簧伸長長度相等.如不等,可通過調(diào)節(jié)三角片位置,直到對(duì)拉時(shí)兩彈簧伸長量相等.
2)為減小實(shí)驗(yàn)誤差,實(shí)驗(yàn)時(shí)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(huán)境干燥,勿與酸堿物接觸,以免銹蝕彈簧和固定圓環(huán).
在講授共點(diǎn)力平衡條件這一知識(shí)點(diǎn)時(shí),用本儀器讓學(xué)生進(jìn)行探究,分組實(shí)驗(yàn)2人1組,效果很好,在介紹了儀器的原理和使用方法后,學(xué)生開始實(shí)驗(yàn),10min后,三力平衡圖示結(jié)果已得出,學(xué)生有讓教師過去肯定結(jié)果的,有不同組間誤差比較誰更準(zhǔn)確的,有重新校驗(yàn)找尋作圖誤差的,有改變拉力大小和方向重新實(shí)驗(yàn)的,有不同組間進(jìn)行交流的……,整節(jié)課研究氣氛活躍,本節(jié)課的知識(shí)內(nèi)容借助實(shí)驗(yàn)器材,學(xué)生很好地掌握了.顯然,學(xué)生在討論實(shí)驗(yàn)誤差原因時(shí),已經(jīng)自覺運(yùn)用力的合成知識(shí)分析討論,使所學(xué)知識(shí)得以升華.
[1]劉乃強(qiáng).力的合成演示儀[J].物理實(shí)驗(yàn),2007,27(9):23-24.