自制物體對斜面壓力測量儀

范佳賀　張艷朝

摘 要：為了更好地促進學(xué)生對“物體對斜面壓力”這一知識的理解，讓學(xué)生不僅從理論上推導(dǎo)出結(jié)論，同時能夠直觀看到實驗事實，筆者利用壓力傳感器制成了自制儀器——物體對斜面壓力測量儀。該儀器的制作原理與物理規(guī)律聯(lián)系密切，制作方法簡單，制作成本在合理范圍內(nèi)。通過實驗測試，該儀器能夠定量演示物體對斜面壓力隨斜面傾角的變化關(guān)系，教學(xué)中使用該儀器能夠達到很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：物體對斜面壓力；重力；拉力傳感器

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）11-0060-3

1 制作背景

求物體對斜面的壓力N，是高中物理中最常見的問題之一，如圖1。在這一問題的教學(xué)中，一般都是采用理論分析法：對物體進行受力分析，根據(jù)實際情況對重力進行正交分解，如圖1所示。

根據(jù)平衡條件得出：

F=mgsinθ N=mgcosθ

這樣的教學(xué)方式，由于具有較好的邏輯關(guān)系，課堂上學(xué)生能夠理解并接受。但是，在之后的教學(xué)中能夠發(fā)現(xiàn)，學(xué)生會經(jīng)常犯一種錯誤，即：不經(jīng)意間仍將支持力N誤認(rèn)為N=mg。究其根源，由于學(xué)生沒有親眼看到：物體放在斜面時，壓力N有所減??；且傾角越大，壓力越小。因此，學(xué)生頭腦中沒有深刻的理解和記憶。

本自制實驗儀器，旨在讓學(xué)生親眼觀察到物體對斜面壓力的數(shù)值，認(rèn)識到理論數(shù)值和實驗結(jié)果的吻合，加深學(xué)生對該知識的理解和記憶，體會物理實驗的魅力。[1]

2 實驗儀器的原理和制作方法

（1）制作所需材料：拉（壓）力傳感器（本儀器采用200 N量程）、傳感器配套數(shù)據(jù)采集器和軟件、角度盤、旋轉(zhuǎn)桿、硬塑料薄板、底座。

（2）制作方法：如圖2所示，將角度盤固定在底座上；在角度盤的前方，將旋轉(zhuǎn)桿固定在底座上，且旋轉(zhuǎn)軸心固定在角度盤的圓心上；將硬塑料薄板固定在拉力傳感器的拉力感應(yīng)處，便于將重物放于其上；將傳感器固定在轉(zhuǎn)動桿上，便于改變硬塑料薄板的傾斜角度。

（3）工作原理：將儀器水平放在桌面上，旋轉(zhuǎn)桿水平放置，此時由于硬塑料薄板的自重，力傳感器有一定示數(shù)，需要對其進行調(diào)零；將重物放在硬塑料薄板上，此時示數(shù)等于重物對硬塑料薄板的壓力；改變旋轉(zhuǎn)桿的傾斜角度，由于薄板表面很光滑，靜摩擦力很小，需要用細(xì)線平行于旋轉(zhuǎn)桿方向拉住重物，此時傳感器示數(shù)依然等于重物對硬塑料薄板的壓力。這樣就可以測量出重物對斜面的壓力了。

3 實驗結(jié)果

把一個200 g的砝碼放置在硬塑料薄板上，此時屏幕上壓力示數(shù)是1.97 N。增大斜面的傾斜角度θ，當(dāng)傾斜角為30度時，示數(shù)是1.71 N；當(dāng)傾斜角為45度時，讀數(shù)為1.4 N；繼續(xù)增大傾斜角，示數(shù)逐漸減小。現(xiàn)在將不同傾斜角下的讀數(shù)記錄在表格中，每隔10度記錄一組數(shù)據(jù)。同時，利用公式N=mgcosθ計算出對應(yīng)的理論值，對比結(jié)果如表1。

以角度為橫坐標(biāo)，以壓力為縱坐標(biāo)，擬合圖像如圖3。

通過實驗值和理論值的對比，發(fā)現(xiàn)：

（1）實驗值和理論值吻合度很高。

（2）在0至70°之前，實驗數(shù)據(jù)最大誤差值為0.03 N，最大相對誤差為4.5%，在較高精度范圍內(nèi)。

（3）在70°至90°之間，最大誤差為0.07，也在可以接受的范圍內(nèi)。產(chǎn)生誤差的原因是此時測量值較小，傳感器本身精度所導(dǎo)致。

通過實驗值和理論值的對比，本儀器能夠定量地演示物體對斜面壓力N隨斜面傾角θ的變化關(guān)系。

4 實驗儀器的使用建議

（1）如果學(xué)生基礎(chǔ)較好，可用于引課，吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣。

（2）如果學(xué)生基礎(chǔ)一般，可以采用實驗驗證的方式，在該部分教學(xué)中，先進行傳統(tǒng)的理論分析，分析之后用該儀器進行演示，對理論結(jié)果進行驗證，加深學(xué)生的理解和記憶。

（3）根據(jù)學(xué)生的實際情況，也可以采用實驗探究的方式，先給學(xué)生展示實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，然后進行圖像擬合，猜測出余弦函數(shù)的關(guān)系，最后進行理論分析，達到理論數(shù)值和實驗結(jié)果很好的吻合。

參考文獻：

[1]廖伯琴.國家精品課程教材：物理教育學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2012.

（欄目編輯 王柏廬）endprint