自制晾衣架模型實(shí)驗(yàn)裝置

馬順存 簡(jiǎn)鵬

摘 要：高中物理教學(xué)中常出現(xiàn)晾衣架模型習(xí)題，為了讓學(xué)生更加直觀地理解抽象的物理模型，設(shè)計(jì)制作了一套晾衣架模型實(shí)驗(yàn)儀器，介紹了該實(shí)驗(yàn)儀器的制作、實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程以及該實(shí)驗(yàn)儀器的創(chuàng)新點(diǎn)等.

關(guān)鍵詞：晾衣架模型;共點(diǎn)力的平衡;自制實(shí)驗(yàn)儀器

中圖分類號(hào)：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）13-0051-02

基金項(xiàng)目：湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度課題“基于核心素養(yǎng)的高中物理實(shí)驗(yàn)課程校本研究”（項(xiàng)目編號(hào)：FZJK19A12）.

作者簡(jiǎn)介：馬順存（1984-），男，湖南湘潭人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

簡(jiǎn)鵬（1983-），男，江西人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

高中物理教學(xué)中常出現(xiàn)晾衣架模型習(xí)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(xí)題當(dāng)中衣架鉤及衣服往往用滑輪及重物代替.這類習(xí)題中，往往繩子的端點(diǎn)和豎直桿是變化的.導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于力的大小和方向的變化情況難以分析，往往是教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題.因此，筆者設(shè)計(jì)制作了一套晾衣架模型實(shí)驗(yàn)裝置，使抽象的情境直觀化，有利于學(xué)生的理解和問(wèn)題的解決.下面以一個(gè)生活情境問(wèn)題為例加以分析說(shuō)明.

問(wèn)題 如圖1所示，某建筑工地上，有一根不可伸長(zhǎng)、柔軟的輕繩兩端分別系于A、B兩點(diǎn)上，一物體通過(guò)動(dòng)滑輪懸掛在繩子上，達(dá)到平衡時(shí)，兩端繩子間的夾角為θ，繩子張力為F.現(xiàn)將繩子一端由B點(diǎn)緩慢移動(dòng)到C點(diǎn)，再將繩子一端由C點(diǎn)緩慢移至D點(diǎn)，整個(gè)過(guò)程中不計(jì)摩擦.

（1）繩子一端從B點(diǎn)緩慢移動(dòng)到C點(diǎn)的過(guò)程中，張力F是如何變化的？

（2）繩子一端從C點(diǎn)緩慢移動(dòng)到D點(diǎn)的過(guò)程中，張力F是如何變化的？

解析：根據(jù)解決平衡問(wèn)題的一般思路：（1）確定研究對(duì)象，以滑輪和物體整體作為研究對(duì)象;（2）對(duì)研究對(duì)象進(jìn)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(dòng)滑輪，繩子兩端的張力大小相等.在三個(gè)共點(diǎn)力的作用下，整體處于平衡狀態(tài);（3）應(yīng)用平衡條件建立關(guān)系：沿水平和豎直方向建立坐標(biāo)系.設(shè)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(guān)鍵點(diǎn)就是判斷θ角度是如何變化的？繩子的右端由B點(diǎn)豎直移動(dòng)到C點(diǎn)再由C點(diǎn)水平移動(dòng)到D點(diǎn)的過(guò)程中，θ角的變化情況，學(xué)生很難理解，即使告知結(jié)論，學(xué)生往往也會(huì)對(duì)結(jié)論表示懷疑.因此，為了更直觀地展現(xiàn)θ角的變化情況，筆者自制了一套晾衣架模型實(shí)驗(yàn)裝置.

1 實(shí)驗(yàn)裝置及其制作

晾衣架模型實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，由固定面板及支架、滑輪及重物、細(xì)線、力傳感器、鋼尺及強(qiáng)磁鐵等組成.

主要材料：亞克力板（厚5mm）、滑輪、重物、細(xì)線、亞克力膠、力傳感器、鋼尺、強(qiáng)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(dāng)位置鉆5mm的孔.

（2）裁截兩根600mm長(zhǎng)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(zhǎng)亞克力棒，兩頭頂部鉆孔并攻絲5mm.

（3）制作如圖4所示活動(dòng)柱，將20mm的塑料棒裁截成15mm長(zhǎng)的圓柱，在圓柱中心鉆15mm的孔，圓柱側(cè)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(cè)棒和右側(cè)棒中分別安裝一活動(dòng)柱.

（5）在左側(cè)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(xì)線、滑輪及重物，面板前面放一鋼尺，后邊用強(qiáng)磁鐵吸住.實(shí)驗(yàn)儀器即制作完成.

2 實(shí)驗(yàn)操作

（1）安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，將細(xì)線右端掛在右桿的活動(dòng)柱上.

（2）打開力傳感器，長(zhǎng)按力傳感器的清零按鈕，將傳感器讀數(shù)清零.

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

（4）向下移動(dòng)右端活動(dòng)柱，細(xì)線右端從B點(diǎn)緩慢移動(dòng)到C點(diǎn)的過(guò)程中，可以觀察到細(xì)線的方向一直與鋼尺方向平行，保持不變，θ角不變.同時(shí)觀察力傳感器的讀數(shù)也沒有發(fā)生變化.

（5）將細(xì)線右端掛在上桿活動(dòng)柱上，細(xì)線右端從C點(diǎn)緩慢移動(dòng)到D點(diǎn)的過(guò)程中，可以觀察到θ角變大，同時(shí)觀察力傳感器的讀數(shù)也變大.

由此得結(jié)論：繩子一端從B點(diǎn)緩慢移動(dòng)到C點(diǎn)的過(guò)程中，張力F不變;繩子一端從C點(diǎn)緩慢移動(dòng)到D點(diǎn)的過(guò)程中，張力F變大.

3 結(jié)束語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)儀器美觀、尺寸適中，演示實(shí)驗(yàn)時(shí)教室最后排的同學(xué)都能看到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[2].用彈簧秤來(lái)測(cè)量細(xì)繩的拉力，彈簧秤會(huì)隨著細(xì)繩拉力的變化而發(fā)生變化，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響[3].本實(shí)驗(yàn)裝置用的是具有數(shù)顯功能的力傳感器.鋼尺與強(qiáng)磁鐵組合可以方便觀察細(xì)線的方向是否發(fā)生了變化.活動(dòng)柱以及柱上螺絲的設(shè)計(jì)，不僅可以使細(xì)線左右和上下移動(dòng)方便、螺絲上可以掛細(xì)線、同時(shí)還可以擰緊螺絲將活動(dòng)柱固定在亞克力棒上，便于穩(wěn)定時(shí)傳感器讀數(shù).

參考文獻(xiàn)：

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

[2]馬順存. 淺談自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的原則——以自制平行板電容器電容大小的影響因素實(shí)驗(yàn)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(tái)突破高中力學(xué)習(xí)題中疑難問(wèn)題的教學(xué)策略[J].中阿科技論壇（中英文），2020（10）： 133-136.

（收稿日期：2021-03-22）