“力的平行四邊形定則”實驗中的橡皮筋問題探討

鄧卓良

摘 要：在學(xué)習(xí)物理這一學(xué)科的過程中，物理老師經(jīng)常使用橡皮筋作為實驗操作過程中的輔助工具。在“力的平行四邊形定則”這一實驗的學(xué)習(xí)中，物理教師就用到了橡皮筋。本文就通過對“力的平行四邊形定則”這一實驗的實際操作，對其中的橡皮筋問題作出一些探討，以期能促進(jìn)今后物理學(xué)習(xí)中的獨(dú)立思考與理論理解和實踐應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：力的合成;橡皮筋;問題;探討

橡皮筋作為一種較為常見的日常生活用品，因成本低廉且應(yīng)用較為廣泛，經(jīng)常在物理實驗中作為輔助工具以提高物理實驗的演示效果，并加深對物理演示過程及理論知識的記憶。在“力的平行四邊定則”這一實驗中橡皮筋就起到了非常重要的作用，對于學(xué)生而言，這種實驗在操作上也更利于掌握，隨時隨地就可以進(jìn)行演示。本文就在結(jié)合自身所掌握的相關(guān)理論知識的基礎(chǔ)上對這一實驗中的橡皮筋問題進(jìn)行了探討。

1.實驗中的橡皮筋問題

力的平行四邊形定則時我們高中學(xué)習(xí)階段所學(xué)的一個重要理論知識，物理老師在教授這一內(nèi)容時都會輔助以具體的實驗操作以幫助我們加深對這一課程的理解。在這個實驗中所用到的主要思想是“等效替代”，即當(dāng)使用彈簧秤對橡皮筋進(jìn)行彈力測試時使用的是二力平衡的原理，而當(dāng)用兩個分力對橡皮筋進(jìn)行測試時則是三力平衡，依據(jù)等效替代的思想就兩個分力就可以通過平行四邊形定則求出合力。但是在這一實驗中，橡皮筋的兩次拉伸程度應(yīng)保持一致才能使其彈力值相同，這是確保實驗準(zhǔn)確的前提要素，也是致使實驗出現(xiàn)誤差的最主要環(huán)節(jié)。

在本次探討中，本文就對2014年的江蘇高考試題進(jìn)行了相關(guān)研究，并親自做了該實驗。首先選擇一塊木板豎直放置，并在其表面固定一張白紙，然后在白紙上選擇一點(diǎn)O將橡皮筋的一端進(jìn)行固定，下端P處懸掛一重物，隨后拎住橡皮筋下端水平緩慢移動并記錄運(yùn)動軌跡。當(dāng)結(jié)束此次操作后，使橡皮筋回歸到初始狀態(tài)再次重復(fù)之前的操作，并再次記錄軌跡。在2014年的原題中指出其實驗結(jié)果中兩次運(yùn)動軌跡之間存在明顯的不同，但是在本次的探討中，實際的演示結(jié)果卻與答案有明顯不同。

在經(jīng)過對此次實驗數(shù)據(jù)的思考后，結(jié)合物理老師的專業(yè)意見，在老師的協(xié)助下使用DIS對實驗過程進(jìn)行精確測量。即測量不同橡皮筋的伸長量與其拉力之間存在的關(guān)系，本次研究中主要測量了兩種質(zhì)量明顯不同的橡皮筋。具體操作過程如下，首先將橡皮筋的一端進(jìn)行固定，另一端與傳感器連接，在測量時還要使用帶有刻度的紙質(zhì)直尺，使橡皮筋保持自然狀態(tài)時的末端在刻度尺的0刻度位置，然后使用傳感器將橡皮筋拉長到不同程度并分別記錄下每次的彈力值，拉伸長度從1厘米以0.5厘米為單位遞進(jìn)，并記錄實驗數(shù)據(jù)。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，對于所使用的橡皮筋，質(zhì)量較好的那一根在伸長量低于13cm時，只要伸長量相同，測量出的其彈力也相同;但是當(dāng)伸長量大于13厘米時，即使伸長量相同，其彈力也存在一些差異，這也是實驗誤差出現(xiàn)的原因。而質(zhì)量不好的那一根，隨著其伸長量的增加，其彈力之間的差值也越大。

2.分析與啟示

筆者所接觸過的物理實驗中，橡皮筋都是被作為彈簧來使用的，而在使用時已默認(rèn)橡皮筋是滿足胡克定律的，但是相關(guān)實驗研究表明，橡皮筋的彈力與其伸長量之間的比值卻是變動的，并且兩者之間呈非線性的關(guān)系。因為本身橡皮筋在不同的使用環(huán)境中因其構(gòu)造及所使用原料的物質(zhì)特性就會出現(xiàn)不同的變化。實驗研究表明當(dāng)將橡皮筋拉長到原長度的7倍時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)就有可能被破壞，而這種破壞就會帶來能量的損耗，使橡皮筋不再滿足胡克定律也就不能被用于某些實驗中。

通過上述分析，筆者對力的平行四邊形定則實驗中是否可以使用橡皮筋進(jìn)行了思考。在此實驗中，雖然橡皮筋可能不能滿足胡克定律，只要滿足伸長量一定時彈力也一定即可。但是有的對胡克定律要求較為嚴(yán)格的實驗中就不能使用橡皮筋，如制作測力計的實驗中。通過與物理老師進(jìn)行探討，結(jié)合自身所掌握的一些知識總結(jié)出一些使用橡皮筋的實驗中需要注意的是：①在進(jìn)行實驗時所選用的橡皮筋在質(zhì)量上應(yīng)過關(guān)，因為質(zhì)量低劣的橡皮筋在拉伸量稍長時就會發(fā)生形變，使其彈力的測量值出現(xiàn)誤差，并且隨著拉伸量的不斷增大，誤差也會越來越大，而質(zhì)量較好的橡皮筋就可以在一定程度上避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn);②在進(jìn)行實驗時，不能對橡皮筋進(jìn)行過度拉伸，這就要求我們的物理教師在進(jìn)行相關(guān)的實驗演示時應(yīng)展示具體的關(guān)系圖，即橡皮筋的拉伸量與彈力之間的關(guān)系，只有這樣才能更加便于學(xué)生們對實驗的理解;③所選用的橡皮筋最好應(yīng)是未曾使用的新橡皮筋，因為只有這種未曾使用過的在使用時出現(xiàn)的誤差才不會過大，而若使用回收來的橡皮筋則可能會因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已遭到破壞而使其出現(xiàn)滯后特性，影響對真實數(shù)據(jù)的測量。

結(jié)束語

通過對此次實驗中使用的橡皮筋的相關(guān)問題進(jìn)行探討，筆者發(fā)現(xiàn)在學(xué)習(xí)中不僅要為何要使用橡皮筋進(jìn)行實驗，還應(yīng)對實驗原理全面掌握。此外，經(jīng)過中橡皮筋問題的探究，在對物理探究實驗的學(xué)習(xí)中我們應(yīng)不斷拓寬思維，要善于發(fā)現(xiàn)實驗之中的有價值的問題，并以此為中心進(jìn)行深入探究，結(jié)合相關(guān)的理論知識對問題進(jìn)行討論以達(dá)到探究實驗本身的教學(xué)目的。不僅要不斷激發(fā)對物理知識的學(xué)習(xí)欲望，還要發(fā)散物理學(xué)習(xí)的思維，打開看待問題的視野不斷拓寬對相關(guān)知識的認(rèn)識深度并對其廣度進(jìn)行思考。通過這種方式不斷養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣，并不斷培養(yǎng)主動研究、自主探索的意識和習(xí)慣，將枯燥的物理學(xué)習(xí)過程不斷趣味化，真正實現(xiàn)學(xué)習(xí)上的獨(dú)立發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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