弹力方向演示仪

摘要

弹力的方向因施力物体的不同而有所差异，具体可分为轻绳、轻弹簧、轻杆以及其他类物体所提供弹力的方向。由于教材中未提供相关实例或实验，学生难以直观感知弹力的方向，因而在理解上存在困难。针对该问题，利用简单易得的器材设计相应实验，帮助学生实际感受不同情形下弹力的方向。

Graphical abstract

关键词

轻绳 / 轻弹簧 / 自由杆 / 约束杆 / 弹力方向 / 演示仪

现有教学中还没有直观显示弹力方向的仪器，教师只是抽象地进行讲解，学生接受困难，教学效果差。笔者通过身边易得器材制作出的弹力方向演示仪结构简单、显示清楚直观，是一种理想的物理教学仪器。

1 轻绳（足够柔软）给物体的弹力方向

1.1 教具装置

轻绳给物体的弹力方向演示仪如图1所示。

1.2 制作材料

轻绳、橡皮筋、固定夹（打点计时器配套器材）、刻度尺。

1.3 制作方法

橡皮筋的一端系在轻绳上。

1.4 使用方法

（1） 将橡皮筋没有系轻绳的一端用固定夹固定（用刻度尺压住橡皮筋再进行固定效果更佳）在水平桌面上（桌面尽可能光滑）。

（2） 拉伸轻绳右端，使橡皮筋有一定伸长，然后让橡皮筋恢复松弛状态。

（3） 向左推动绳子右端，注意勿让橡皮筋与轻绳节点移动（如果绳子不够柔软，可在实验现象基础上进行理想化推理）。

（4） 通过观察可得到结论：轻绳一端给物体的弹力方向只能沿绳指向绳收缩的方向。

2 轻弹簧给物体的弹力方向

2.1 教具装置

轻弹簧给物体的弹力方向演示仪如图2所示。

2.2 制作材料

轻弹簧、轻绳、橡皮筋、碳素笔后堵头。

2.3 制作方法

将橡皮筋从碳素笔后堵头有螺丝口一侧穿向另一侧，然后在穿出部分打上结。将碳素笔后堵头固定于弹簧的一端，橡皮筋另一端系在轻绳上（图2）。

2.4 使用方法

（1） 将碳素笔后堵头反向安装于弹簧的一端，与图2所示朝向相反。

（2） 用力拉轻绳，使轻弹簧沿其轴线被压缩（注意压缩量不宜过大，以免无法实现弹簧沿其轴线被压缩的目的）。

（3） 通过观察橡皮筋被拉伸的情况可得到如下结论：轻弹簧沿轴线被压缩时，其一端给物体的弹力方向，沿弹簧指向其恢复形变的方向。

（4） 按图2安装碳素笔后堵头，轻绳另一端用力，使轻弹簧沿其轴线被拉伸。

（5） 通过观察橡皮筋被拉伸的情况可得到结论：轻弹簧在沿轴线被拉伸时，其一端给物体的弹力方向，沿弹簧指向其恢复形变的方向。

3 轻杆给物体的弹力方向

3.1 “约束杆”给物体的弹力方向

（1） “约束杆”即为连接端被固定的轻杆^［1］，如刚性固定在墙壁或支架上，不能转动。“约束杆”给物体的弹力方向演示仪如图3所示。

（2） 制作材料：金属蒸笼、螺丝杆、螺母、橡皮筋、长尾夹。

（3） 制作方法：利用多个螺母将螺丝杆一端固定于金属蒸笼的正中间，橡皮筋系在螺丝杆的另一端。

（4） 使用方法。

①将金属蒸笼竖直放置。

②将橡皮筋另一端分别挂在不同的长尾夹上。

③通过观察可得到结论：“约束杆”另一端给物体的弹力方向可以沿任意方向。

3.2 “自由杆”给物体的弹力方向

（1） “自由杆”即为连接端可绕连接点在任意方向自由转动的轻杆，如用光滑铰链连接。“自由杆”给物体的弹力方向演示仪如图4所示。

（2） 制作材料：指尖陀螺、金属杆（一端带有“ ”弯曲）、固定夹、橡皮筋。

（3） 制作方法：将橡皮筋的一端系在金属杆有“ ”弯曲的一端上，将金属杆的另一端与指尖陀螺固定（注意金属杆所在直线需过指尖陀螺的圆心）。

（4） 使用方法。

①将指尖陀螺用固定夹固定在水平桌面上（不可夹得过紧，以免影响指尖陀螺的运转，可在指尖陀螺和固定夹之间放些抽纸，这样固定效果更佳）。

②分别向靠近指尖陀螺的多个方向和远离指尖陀螺的多个方向拉伸橡皮筋。

③通过观察可得到结论：“自由杆”另一端给物体的弹力方向一定沿着杆。

4 其他类物体给出的弹力方向

4.1 教具装置

其他类物体给出的弹力方向演示仪如图5所示。

4.2 制作材料

木板、固定物（可用厚重书籍充当）、直尺、白纸、钢球、墨水适量、塑料手套。

4.3 制作方法

将白纸固定在水平木板上。将固定物固定在木板上（如果将厚重的书籍放在木板上，以刻度尺恢复形变时打在书籍上而书籍不移动为宜）。

4.4 使用方法

（1） 一只手戴好塑料手套。

（2） 如图5所示，让刻度尺产生一定形变（在弹性限度内），然后将其远离固定物一端固定不动。

（3） 用戴有塑料手套的手拿取钢球并让钢球沾上适量墨水。

（4） 将沾有墨水的钢球放置在刻度尺靠近固定物一端的适当位置。

（5） 将刻度尺靠近固定物一端，拨离固定物一定距离（注意刻度尺的形变要在弹性限度内），然后释放刻度尺下端。

（6） 更改钢球初始时的放置位置，再做几次实验。

（7） 通过观察钢球留下的轨迹线与刻度尺接触钢球时接触面间的角度关系可得到以下结论：其他类物体给物体的弹力方向与接触面垂直并指向受力物体^［2］。

参考文献

[1] 李彦清.轻杆模型弹力方向探析［J］.物理通报，2016（10）：27-28.

[2] 顾忠伟.基于教学逻辑的“弹力”教学设计［J］.中学物理教学参考，2021（06）：38-39.

基金资助

2023年新疆维吾尔自治区“天山英才”刘厚荣名师工作室研究项目“科普进校园、科普进课堂”

2024年新疆维吾尔自治区“以校为本”小课题“借助科技实践活动促进中学生物理核心素养发展的策略研究”(XKT2411039)