自制教具演示“探究求合力的方法”

路慧奇 李果

摘要：“探究求合力的方法”的實(shí)驗(yàn)是高中物理的重要實(shí)驗(yàn)之一，對于學(xué)生建立矢量的空間關(guān)系、確立矢量運(yùn)算法則等方面具有不可替代作用。自制實(shí)驗(yàn)教具“三角形演示儀”能夠使學(xué)生直觀地認(rèn)識到分力與合力之間的空間位置關(guān)系、高效地做出關(guān)于求合力方法的平行四邊形關(guān)系的猜想，同時(shí)，自制教具可以使學(xué)生更為主動地參與實(shí)驗(yàn)，有利于物理興趣的保持和增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：探究求合力的方法;自制教具;演示

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。物理教材只是為施教者和學(xué)習(xí)者提供一種可能的學(xué)習(xí)載體，教材中提供的實(shí)驗(yàn)器材和方案也只是為課堂學(xué)習(xí)提供了一種可能的方法。教師可以根據(jù)教學(xué)實(shí)際創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，改善實(shí)驗(yàn)課堂的生態(tài)，使實(shí)驗(yàn)簡單、新穎、有趣，這也是演示實(shí)驗(yàn)的“職責(zé)”所在。當(dāng)前，高中物理實(shí)驗(yàn)課的現(xiàn)狀是“課時(shí)緊、內(nèi)容多、時(shí)間少”，如何在有限的時(shí)間里高效地完成科學(xué)探究的目標(biāo)，提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)是高中物理教師面臨的一大課題。

問題的提出

在講解高中物理人教版必修一第三章第四節(jié)《力的合成》中，對于探究求互成角度的兩個(gè)分力的合力的方法中，課本采用的探究方法能夠給學(xué)生以清晰的探究思路，但不夠直觀，難以使學(xué)生快速地建立起合力與分力之間的直觀的空間幾何關(guān)系，為此，教師可以通過改進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)達(dá)到更加直觀的效果。

筆者在講解本節(jié)課時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)室中極易獲得的器材，通過簡單組裝，得到一套實(shí)驗(yàn)演示裝置，由于用到了鐵架臺和定滑輪且構(gòu)造出了一個(gè)直觀的三角形，姑且將之命名為“三角形演示儀”。

自制裝置介紹

器材簡介 兩個(gè)鐵架臺（帶有鐵夾）、兩個(gè)定滑輪、兩個(gè)帶有螺母的長螺絲釘、細(xì)線及鉤碼若干。

組裝方法 如圖所示，先將定滑輪掛在螺絲釘上，并用螺母固定，再將螺絲釘用鐵夾固定在合適的高度處，并調(diào)整好定滑輪的位置，使兩個(gè)定滑輪的輪槽基本在同一豎直面內(nèi)，用細(xì)線做三個(gè)繩套并將它們連接于一點(diǎn)，在每個(gè)繩套上掛上適當(dāng)數(shù)量的鉤碼。這樣，一個(gè)可以直觀演示合力與分力關(guān)系的“三角形演示儀”就組裝成功了。

裝置的優(yōu)點(diǎn) 一是便于就地取材。一般的高中物理實(shí)驗(yàn)室中都能找到上述裝置所需器材，不需要再額外購置，具有很強(qiáng)的可行性。二是便于組裝。將所需組件準(zhǔn)備就緒后，組裝的工作可以由教師來組裝，當(dāng)然，如果能夠讓學(xué)生自行組裝，實(shí)驗(yàn)的印象想必會更好。三是便于攜帶。裝置中所用到的所有器材都可拆卸，便于搬運(yùn)，組裝所需時(shí)間也就是一兩分鐘的事情。所以，上述裝置具有很好的經(jīng)濟(jì)性、便攜性和可行性，便于開展實(shí)驗(yàn)探究。

課堂演示效果

在課堂演示環(huán)節(jié)，可以分以下幾個(gè)環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷教材所需的科學(xué)探究的過程。

提出問題 同一直線上的兩個(gè)分力的合成滿足“同向相加，反向相減”的規(guī)律，這是一種標(biāo)量運(yùn)算法則。如果兩個(gè)分力不在同一直線上，還可以用此方法計(jì)算它們的合力嗎？

觀察現(xiàn)象 在“三角形演示儀”的三個(gè)繩套上，分別掛上適當(dāng)數(shù)量的鉤碼。在中間繩套上掛上5個(gè)鉤碼，兩側(cè)繩套分別掛上3個(gè)、4個(gè)鉤碼，使系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。

可以看到，三根細(xì)線的拉力大小分別等于3個(gè)鉤碼的重力、4個(gè)鉤碼的重力和5個(gè)鉤碼的重力，為敘述方便起見，這三個(gè)拉力的大小分別記為3、4、5。如果以上方的兩根細(xì)線的拉力為分力，則兩個(gè)分力（3和4）的合力大小為5，方向豎直向上。

3和4的合力等于5，這里使用的運(yùn)算方法顯然不是簡單的加減關(guān)系了。3和4的和在什么情況下等于5？經(jīng)過思考，學(xué)生的腦海中會蹦出一個(gè)熟悉的直角三角形，即“勾三股四弦五”。這樣，一種空間的幾何關(guān)系在學(xué)生的腦海中初步成型。

提出想法 看來，合力與分力之間有可能會存在一定的空間幾何關(guān)系。為了明確它們之間的關(guān)系，請學(xué)生來測量兩個(gè)分力3、4之間的夾角，經(jīng)過測量，發(fā)現(xiàn)它們之間的夾角是直角。接下來，教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試采用作圖的方法，畫出合力5與兩個(gè)分力3、4之間的空間幾何關(guān)系，學(xué)生通過討論交流，畫出了一個(gè)矩形，即以3和4為直角邊、5為豎直方向?qū)蔷€的矩形。此時(shí)，學(xué)生可以清楚地看到：合力與分力大小之間不再是簡單的加減關(guān)系，它們的方向也不再是一維的關(guān)系，而是一種二維關(guān)系，即合力的方向夾在兩個(gè)分力的方向之間。

合力與分力之間是一種矩形關(guān)系嗎？一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足以說明問題。接下來，我們在三個(gè)繩套上都掛上3個(gè)鉤碼，這時(shí)，兩個(gè)分力與合力的大小都是3，3+3=3？通過測量學(xué)生發(fā)現(xiàn)兩個(gè)分力3和3之間的夾角是1200，這樣，依據(jù)同樣的方法，學(xué)生會畫出一個(gè)位于豎直平面內(nèi)的菱形，合力的方向仍然夾在兩個(gè)分力的方向之間。這樣，在學(xué)生的心中進(jìn)一步加深了合力與兩個(gè)分力是一種空間的方位關(guān)系的認(rèn)識。

在上述兩組演示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生通過比較來發(fā)現(xiàn)它們的共同點(diǎn)，嘗試找出合力與分力之間的關(guān)系。

合力與分力之間到底是一種怎樣的幾何關(guān)系呢？我們通過比較發(fā)現(xiàn)，矩形和菱形的共同特征是：它們都是平行四邊形。

形成猜想 在這個(gè)平行四邊形中，平行四邊形的兩個(gè)鄰邊表示兩個(gè)分力，它們之間所夾的對角線表示合力的大小和方向。這樣，學(xué)生可以自然做出猜想：合力與分力之間滿足平行四邊形的關(guān)系。但是演示實(shí)驗(yàn)的兩組數(shù)據(jù)畢竟過于特殊，猜想是否具有一般性呢？此時(shí)，學(xué)生已經(jīng)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的探究欲望。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證猜想 學(xué)生當(dāng)然可以使用這一套演示裝置來完成數(shù)據(jù)的采集、用圖示法處理數(shù)據(jù)、基于證據(jù)得出結(jié)論等探究環(huán)節(jié)。

效果及思考

通過自制簡易演示裝置“三角形演示儀”有利于探究實(shí)驗(yàn)更順利進(jìn)行 ?課本上的演示實(shí)驗(yàn)雖然可以讓學(xué)生認(rèn)識到求合力的方法不再是加減運(yùn)算，但究竟合力與分力是一種怎樣的量的關(guān)系，由于猜想探究的空間太大，不利于學(xué)生做出明確的判斷。

“三角形演示儀”通過兩組特殊情形（即3、4、5和3、3、3）的演示，可以使學(xué)生快速建立合力與分力之間的空間幾何關(guān)系，方向明確，空間感強(qiáng)，避免了學(xué)生漫無目標(biāo)的找尋，節(jié)省了時(shí)間，提高了探究的效率。

自制簡易演示裝置“三角形演示儀”使學(xué)生印象更為深刻 教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生對于曾經(jīng)做過的某個(gè)實(shí)驗(yàn)總是記憶模糊、印象不深，究其原因在于學(xué)生的思維參與度不夠、代入感不強(qiáng)，這與實(shí)驗(yàn)缺乏創(chuàng)新、學(xué)生按照既定步驟來操作因而是被動實(shí)驗(yàn)有關(guān)。為了解決這一問題，需要教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試采用新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)情境，改善實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，使學(xué)生具有更強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)操作感和成就感。本實(shí)驗(yàn)中，由于探究裝置的改進(jìn)，探究方向更加明確，學(xué)生更容易把握合力與分力之間的關(guān)系，這樣的探究，學(xué)生更容易深入進(jìn)去，因而會更加感興趣。在教師演示實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)下，學(xué)生順理成章、自然而然地得出合理化的猜想，由此樂意通過自己動手實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證猜想的正確性，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證奠定了良好基礎(chǔ)。

自制簡易演示裝置使物理更有魅力 物理來自于生活，生活中處處皆物理。本實(shí)驗(yàn)從幾個(gè)簡單器材組裝起來的演示裝置，經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用，就可以揭示一個(gè)深刻的物理運(yùn)算規(guī)律，可謂是以小見大。學(xué)生會充分感受到物理實(shí)驗(yàn)的魅力，同時(shí)，學(xué)生也會認(rèn)識到：實(shí)驗(yàn)就在身邊，真理隨處可見！實(shí)驗(yàn)裝置的易獲得性、易操作性，以及巨大的成就感都會成為激勵學(xué)生投身物理學(xué)習(xí)的熱情之源。

自制教具的開發(fā)就在身邊 高中物理教師無疑是教師中比較忙碌的一個(gè)群體了，但正所謂“處處留心皆學(xué)問”。由此可以通過以下途徑來開發(fā)實(shí)驗(yàn)教具。

一是網(wǎng)絡(luò)、電視資源。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)、電視資源豐富多彩，其中不乏一些兼具趣味性和科學(xué)性的視頻資料、節(jié)目，可以結(jié)合課堂學(xué)習(xí)的需要，對上述資源進(jìn)行加工整理，也可以將視頻節(jié)目加以剪輯，為教學(xué)所用。

二是開發(fā)與物理習(xí)題相關(guān)的小實(shí)驗(yàn)。很多物理題都有一個(gè)實(shí)驗(yàn)情境，有些是學(xué)生難以理解的，如果教師能通過實(shí)驗(yàn)的方法，不僅有助于學(xué)生解答試題，還有助于培養(yǎng)學(xué)生采用實(shí)證的方法來解決物理問題的意識，同時(shí)豐富物理的實(shí)驗(yàn)資源。

三是將玩具、家用電器加以改進(jìn)或者直接加以利用。例如，講解功能關(guān)系時(shí)，可以把小朋友們的過山車玩具搬過來演示;講解電動機(jī)的啟動電流時(shí)，可以將玩具風(fēng)扇中的電動機(jī)拆下來接入實(shí)驗(yàn)電路，等等，這樣可以使學(xué)生充分體會到生活即物理，便于實(shí)驗(yàn)的生活化。

四是改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材。課本上提供的實(shí)驗(yàn)方案往往是在一定情境下進(jìn)行才能觀察到明顯的現(xiàn)象。例如，對于斷電自感現(xiàn)象的演示，如果利用一般的小燈泡來演示的話，不論怎么調(diào)整線圈的自感系數(shù)，總是難以看到“閃亮”現(xiàn)象，這時(shí)，如果將小燈泡換為發(fā)光二極管，只需要一般的線圈并聯(lián)，就會有很好的效果。所以，教師要通過摸索、開發(fā)實(shí)驗(yàn)資源，盡可能地為學(xué)生提供豐富的感性材料，讓學(xué)生不再覺得物理是“冷冰冰”的。

五是要多借鑒。“它山之石，可以攻玉?！北M可能參加外地的講課活動，這些課堂上涌現(xiàn)了大量的、優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)資源，為什么不拿來用呢？相信只要我們留意，總會收獲并積累大量、有用的實(shí)驗(yàn)資源。

六是要推進(jìn)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)代化。物理實(shí)驗(yàn)演示不能只停留在傳統(tǒng)水平上，可以借助信息化技術(shù)設(shè)計(jì)演示、模擬實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解難于理解的現(xiàn)象，如可以借助PPT的動畫功能演示波動現(xiàn)象等，也可以借助DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)讓實(shí)驗(yàn)更具備現(xiàn)代感。

結(jié)束語

高中物理的學(xué)習(xí)需要借助于大量的演示實(shí)驗(yàn)來為學(xué)生呈現(xiàn)豐富多彩的物理現(xiàn)象，這些現(xiàn)象將有助于學(xué)生理解感到“冰冷”的物理概念和規(guī)律，有助于拉近學(xué)生與物理之間的“感情”，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)對于提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，尤其是在科學(xué)探究素養(yǎng)的培育具有不可替代的作用。作為物理教師，應(yīng)努力開發(fā)、盡最大可能地為學(xué)生搭起一片美麗的實(shí)驗(yàn)星空。

【基金項(xiàng)目：本文系河南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃一般課題《高中物理課堂演示實(shí)驗(yàn)的研究與開發(fā)（課題編號：2018-JKGHYB-093）》研究成果】

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：河南省平頂山市第一中學(xué)）