高中力的合成与分解实验改进研究
乐山师范学院物理与电子工程学院
摘 要：本研究结合高中物理进行力的分解与合成教学实践中存在影响教学演示、学生操作探究和对理论知识的理解和掌握上的缺陷问题, 进行对比分析, 有针对性地提出本教学过程中使用的实验仪器进行改进设计方案, 并采用移动圆形刻度盘、旋转式可调分力支架、无线摄像头、数字拉力传感器、232串口和USB接口与单片机相结合的控制系统, 研发形成新型力的合成与分解教学演示仪, 以用于课堂教学演示与探究实验, 为提高教学质量提供有益的帮助。
关键词：圆形刻度旋转平台; 数字拉力传感器; 无线摄像头; 单片机控制与投影展示;
力的合成与分解是高中物理的一个重要内容, 课标要求通过实验, 理解力的合成与分解, 知道共点力的平衡条件, 区分矢量与标量, 用力的合成与分解分析日常生活中的问题。本节课的关键是让学生通过实验, 总结出矢量的合成方法即平行四边形法则。实验成功与否, 实验结果的好坏, 直接影响着学生对平行四边形法则的理解和运用。
基于上述教学内容与要求, 本研究针对现行本节教学所使用的几种传统教学仪器进行对比, 并就实验操作方式、数据采集与处理过程、观测数据误差等方面影响教学质量的主要问题作重点分析。在此基础上提出以实验操作简便、数据采集与处理科学、实验误差较小、观测实验现象实时, 既能满足学生自主探究, 又能进行教学演示的多功能仪器的改进设计研究目标, 以增强课堂教学效果和提高教学质量。本研究采用现代传感器、电子通信、单片机应用、自动控制等技术与物理测量技术相结合的设计理念, 通过实验研究形成能直接运用于高中物理课堂教学的新型物理仪器。
一、传统“力的合成与分解”实验装置及主要问题
1. 常见实验测量组合结构1
这类测量主要由方木板、白纸、图钉、橡皮条、测力计 (3个) 、细线、直尺和三角板组成 (如图1) 。先将白纸用图钉固定在方木板上;橡皮筋一端用图钉固定在白纸上, 另一端拴上两根细绳套。再用两只测力计沿不同方向拉细绳套, 记下橡皮筋伸长到的位置O, 两只测力计的方向及读数F1、F2, 作出两个力的图示, 再用一只测力计拉细绳套, 使橡皮筋伸长到位置O, 实现力的等效替换, 并作出合力的图示。以两个分力为邻边作平行四边形, 画出对角线。最后比较这条对角线和表示合力的这条矢量线的位置关系 (长短和方向) , 归纳出平行四边形法则。
图1 探究平行四边形法则实验装置
用这种方法存在以下几个明显的问题: (1) 只能在桌面操作, 教师演示过程中不能让全体学生都看到实验过程, 在画图过程中老师无法独立一个人完成实验, 不利于课堂教学, 实验效率极低。 (2) 使用传统测力计读数误差很大。 (3) 力的之间的夹角由量角器量出, 由于线的位置不容易稳定, 再加上用量角器测量也存在很大的误差, 不符合物理实验要求严谨性。
2. 常见实验测量组合结构2
这类测量主要用厚度约3cm, 长、宽均为50cm×45cm的软质木板, 挂钩, 同型号轻质滑轮, 尺寸合适的铁钉 (或粗针头) , 细线, 砝码等器材组成。 (如图2)
图2 任意夹角二力的合成与分解实验装置
选一块厚度约3cm, 长、宽均为50cm×45cm的软质木板, 木板上端设置挂钩, 可使木板竖直悬挂于黑板上。选同型号轻质滑轮, 以尺寸合适的铁钉 (或粗针头) 为滑轮的轴, 将定滑轮的轴固定在木板上的不同位置。从一个节点出发, 引出两根或三根细线, 绕过预设的定滑轮并悬挂适当质量的砝码, 即可进行力的合成与分解的实验演示。
演示时, 各个力的大小由砝码重力即可得出, 力的之间的夹角由量角器量出, 可通过列表格的方式, 让学生比较F2的大小与F3, F4合成的结果, 验证力的平行四边形法则。同时, 通过反复演示, 可证实给定二个力的合力是唯一确定的, 而同一个力分解为两个力时, 可有无穷多种分法。至于多个力的合成与力的多向分解, 可依据二力的合成与分解的方法, 通过多次合成与分解完成。
较上种方法而言, 这种方法在黑板上操作, 让学生清楚观察到实验过程, 但还是存在以下问题: (1) 实验器材安装很困难, 定滑轮在竖直木板上难以固定, 在改变力的大小时需要同时改变各个滑轮的位置, 实验操作困难, 影响实验的正常进行。 (2) 实验中用钩码加力, 每次都是增减50g, 不能使力的大小连续变化, 不能验证平行四边形法则具有普遍性。 (3) 力的之间的夹角由量角器量出, 由于线的位置不容易稳定, 再加上用量角器存在很大的误差, 实验效果不好。
3. J2152力的合成分解演示器
实验装置如图3所示。本实验演示器按事先选定的分力夹角和分力大小, 调整位置和选配钩码个数;把汇力环上部连接的测力计由引力器拉引来调节角度, 并调节拉引力距离, 使汇力环悬空, 目测与坐标盘同心;调整滑轮夹的位置将钩码固定位置;此时钩码的重力就是分力的大小, 测力计的读数就是合力的大小;分力之间的夹角直接观测分度盘即可, 调整平行四边形重合实验所形成四边形, 用紧固螺母压紧, 学生可直观地在演示器上看出矢量作图改变分力夹角, 重做上面的实验。实验结论:此时测力计的读数就是合力的大小;分力夹角越小合力越大, 分力夹角趋于180°时合力趋近零。
图3 J2152力的合成分解演示器装置
较前两种方法, 这种方法采用了读角度的刻度盘, 让学生可以直观得出角度的大小, 但还是有以下缺陷: (1) 表盘的凹槽只能进行90°旋转, 具有局限性。 (2) 表盘上的刻度太粗略, 平行四边形有一定宽度, 导致读数不准确。 (3) 使用传统的弹簧测力计导致读数误差大。 (4) 滑轮与轴的摩擦较大, 测力误差大。
总之, 传统实验装置存在着测力、测角度误差大, 演示时学生不能观察到力的示数、操作不便等问题, 针对这些问题, 课题组对实验装置做了改进。
二、新型力的合成与分解演示仪设计
1. 实验基本原理和装置
设计的关键在于提高实验数据的准确性和实验器教具的操作性: (1) 使用了可360°旋转的较高精度的角度刻尺, 在采集数据时, 将0刻度可与任何一个力方向对齐, 很方便读取两个力之间的夹角数据。 (2) 设计了3个可以在力平面内360°旋转的拉线滑轮系统, 拉力作用线可以自由旋转, 连续变换角度, 体现实验条件的普遍性。 (3) 轻质滚珠滑轮和细线结合, 减小摩擦力, 提高实验数据的准确度。 (4) 选用较高精度的电子测力计取代弹簧测力计, 提高精度、方便读数。 (5) 在金属表盘下方固定了强力磁铁, 在验证平行四边形作图时, 用几个小铷磁铁即可方便地固定白纸的位置; (6) 实验台上方固定一个摄像头, 拍摄测力计的读数和实验操作过程, 并将视频数据用蓝牙技术直接传送给计算机, 通过多媒体投影到屏幕上。改进后的实验装置设计如图4所示。
2. 改进的力的合成与分解实验操作步骤
2.改进的力的合成与分解实验操作步骤
(1) 探究平行四边形法则
(1) 固定底座螺母, 使仪器处于水平状态。
(2) 开启摄像头, 完成与计算机的蓝牙连接, 调整摄像头焦距, 在屏幕上出现清晰、大小适中的画面。
(3) 调节主轴法兰盘位置, 控制三个可旋转支架的高度, 使三根绳子在同一平面内。
(4) 用磁铁将白纸固定在金属板上;从一个节点出发, 引出两根或三根细线, 在一根细线上悬挂一橡皮筋, 并将其固定在测合力的支架上, 将另外两根绳子穿过定滑轮, 分别拴上绳套。
(5) 用两只测力计沿不同方向拉细绳套, 记下橡皮筋伸长到的位置O, 两只测力计的方向及读数F1、F2, 作出两个力的图示, 再用一只测力计拉细绳套, 使橡皮筋伸长到位置O, 实现力的等效替换, 并作出合力的图示。以两个分力为邻边作平行四边形, 画出对角线。最后比较这条对角线和表示合力的这条矢量线的位置关系 (长短和方向) , 归纳出平行四边形法则。
(6) 改变F1和F2的大小和方向, 重做以上实验, 将结果填入表格中。
(2) 力的分解实验
(1) 固定底座螺母, 使仪器处于水平状态。
(2) 开启摄像头, 完成与计算机的蓝牙连接, 调整摄像头焦距, 在屏幕上出现清晰、大小适中的画面。
(3) 调节主轴法兰盘位置, 控制三个可旋转支架的高度, 使三根绳子在同一平面内。
(4) 从一个节点出发, 引出两根或三根细线, 在一根细线上悬挂一电子测力计, 并将其固定在测合力的转轴上, 将另外两根绳子穿过定滑轮, 分别拴上绳套, 在绳套末端挂上钩码。
(5) 旋转分力所在转轴, 使汇力环中心在中心红色指示物处。
(6) 此时测力计的示数即合力大小, 钩码的重力就是分力的大小。任意分力的夹角, 转动合力支架使汇力环位于中心标记处, 测出力的大小和相互之间的夹角, 可以得出矢量和总是为零。
本实验装置已在本地的部分高中试用, 取得了明显教学效果, 老师们反映, 整个实验过程和实验数据都清晰明了地投影在屏幕上, 学生观察得很清楚, 老师操作很轻松, 实现了教学效果和效率的提高。
文章转载于《考试周刊》2017年34期
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