力的动态变化演示装置

谢春君

（上海市宜川中学，上海 200065）

1 引言

虽然静力学的动态变化问题有趣迷人，如若缺乏刻画此类问题的方法和手段，学生就会纠结在左脑逻辑分析与右脑形象思维的能耗竞争漩涡之中，竟而误入临渊慕鱼的尴尬境界.

遵从脑手结合，演示实验的直观教学通则，我针对典型的力学问题（细绳、轻杆和斜面挡板），设计了一种结果轨迹屏显的演示装置，其利用DIS（Digital Information System）实验系统的基础模块，开发出表征动态力的系列演示实验，藉此冲击学生的并行视觉神经，使之结合传统板书的串行力学分解信息，尽快理解与掌握此类有趣的问题.

首先概要装置特点，接着详解细绳力学的动态分析趣例.

2 装置简介

结构如图1，长约90cm的底座上安装2个铁架台，一个在一端固定，另一个可在平台上滑动，平台上方安装一个水平仪，平台底下安装4个底脚，可调装置水平（图1中：A底座，B固定铁架台，C可动铁架台，D水平仪）.在2个铁架台的金属杆上安装若干多功能转换接头，可安装各类配套的仪器装置，即可完成相应实验.

图1 装置图

配套仪器设备（1～5标号参见图1）：① 电机：牵引转臂转动；② 多项转接头：用于在金属杆上安装配套设备；③ 转臂：带动细线或轻杆转动；④ 重物：研究对象；⑤ 力传感器及DIS实验系统；⑥ 支架：研究三角形支架受力问题；⑦ 滑轮及带挂钩的细线.

此装置配合DIS实验系统，可完成高中物理中力学的多个微小实验.

3 细绳的动态变化趣例

问题提出：如图2，保持系住重物m的绳子AB与竖直方向的夹角θ不变，重物静止，拉住重物的BC绳由水平方向开始向上逐渐转到竖直的过程中，AB绳的张力大小将 _______，BC绳的张力大小将________.

图2

实验制作：利用DIS中的力传感器，通过电脑直观显示两力大小的动态变化过程.

（1）绳端A接在图1中固定铁架台上面的力传感器，细绳C系在图1中转臂上的力传感器的挂钩上.

（2）两个力传感器通过数据采集器与计算机连接.

（3）实现B点不动且C绳可转动的关键：设计一转臂（图1）.

（4）为提高转动稳定性，设计一牵引装置.图1中，牵引电机拉动转臂带动C绳转动.

演示观察：点击DIS6.8的通用软件，开始实验.

（1）不挂重物，点击调零软按钮，2个传感器示数为0，完成传感器调零步骤.

（2）点击示波软按键，开始实验.

（3）按动电机遥控按钮，转臂带动C绳由水平平滑转到竖直，计算机屏幕实时显示出两力传感器示数的变化过程，图像（结果）如图3所示.

图3 实验结果

原理分析：由图3可知：当BC绳由水平转到竖直过程中，AB绳的拉力始终变小［图线（a）所示］，BC绳上的力先变小后变大［图线（b）所示］.

图4 受力分析

图5 矢量三角形

4 评价反思

（1）实验效果如何，直接受到底座水平度的影响，A、C细线及重物一定置于同一竖直平面内.

（2）传感器挂钩与细线一定要共线，且要精细调零.

（3）起始角度θ不同，显示规律也有差异，上述原理中只给出其中一种情况.

（4）学生根据画矢量三角形或平衡的方法求解，再结合力的动态变化数显演示装置实际观察，理论与实验相结合，必能真正体验其动态变化过程之奥妙.