马顺存 简鹏

摘 要：高中物理教学中常出现晾衣架模型习题，为了让学生更加直观地理解抽象的物理模型，设计制作了一套晾衣架模型实验仪器，介绍了该实验仪器的制作、实验操作过程以及该实验仪器的创新点等.

关键词：晾衣架模型;共点力的平衡;自制实验仪器

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）13-0051-02

基金项目：湖南师范大学附属中学教育科学“十三五”规划2019年度课题“基于核心素养的高中物理实验课程校本研究”（项目编号：FZJK19A12）.

作者简介：马顺存（1984-），男，湖南湘潭人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理教学;

简鹏（1983-），男，江西人，本科，中学一级教师，研究方向：中学物理教学.

高中物理教学中常出现晾衣架模型习题，在两根竖直的柱子之间挂一根绳子，用光滑的衣架钩挂在绳子上，再把需要晾晒的衣服挂在衣架上晾晒，这种模型我们称为“晾衣架模型”[1].习题当中衣架钩及衣服往往用滑轮及重物代替.这类习题中，往往绳子的端点和竖直杆是变化的.导致学生对于力的大小和方向的变化情况难以分析，往往是教学中的一个难点问题.因此，笔者设计制作了一套晾衣架模型实验装置，使抽象的情境直观化，有利于学生的理解和问题的解决.下面以一个生活情境问题为例加以分析说明.

问题 如图1所示，某建筑工地上，有一根不可伸长、柔软的轻绳两端分别系于A、B两点上，一物体通过动滑轮悬挂在绳子上，达到平衡时，两端绳子间的夹角为θ，绳子张力为F.现将绳子一端由B点缓慢移动到C点，再将绳子一端由C点缓慢移至D点，整个过程中不计摩擦.

（1）绳子一端从B点缓慢移动到C点的过程中，张力F是如何变化的？

（2）绳子一端从C点缓慢移动到D点的过程中，张力F是如何变化的？

解析：根据解决平衡问题的一般思路：（1）确定研究对象，以滑轮和物体整体作为研究对象;（2）对研究对象进行受力分析，整体受到向下的重力G和绳子两端的张力F，由于是动滑轮，绳子两端的张力大小相等.在三个共点力的作用下，整体处于平衡状态;（3）应用平衡条件建立关系：沿水平和竖直方向建立坐标系.设左边绳子的张力F与竖直方向的夹角为α，右边绳子的张力F与竖直方向的夹角为β.于是列平衡方程得

水平方向Fsinα=Fsinβ

竖直方向Fcosα+Fcosβ=G

α+β=θ

解得α=β

2Fcosθ2=G

分析：题目中要求的是张力F的变化情况，由于G不变，解决本题的关键点就是判断θ角度是如何变化的？绳子的右端由B点竖直移动到C点再由C点水平移动到D点的过程中，θ角的变化情况，学生很难理解，即使告知结论，学生往往也会对结论表示怀疑.因此，为了更直观地展现θ角的变化情况，笔者自制了一套晾衣架模型实验装置.

1 实验装置及其制作

晾衣架模型实验装置如图2所示，由固定面板及支架、滑轮及重物、细线、力传感器、钢尺及强磁铁等组成.

主要材料：亚克力板（厚5mm）、滑轮、重物、细线、亚克力胶、力传感器、钢尺、强磁铁、螺丝（M5）、亚克力棒（15mm、10mm）等.

制作步骤：

（1）裁切一块600mm×400mm和两块400mm×100mm的亚克力板.用亚克力胶将三块板粘成工字型，如图3所示.在上下板前端角适当位置钻5mm的孔.

（2）裁截两根600mm长亚克力棒，两端顶部钻孔并攻丝5mm，两端50mm位置钻孔并攻丝5mm;裁截两根360mm长亚克力棒，两头顶部钻孔并攻丝5mm.

（3）制作如图4所示活动柱，将20mm的塑料棒裁截成15mm长的圆柱，在圆柱中心钻15mm的孔，圆柱侧面钻孔并攻丝5mm.

（4）如图2所示，用M5螺丝将四根亚克力棒固定在面板上，在上侧棒和右侧棒中分别安装一活动柱.

（5）在左侧安装力传感器位置，装一根10mm亚克力棒，固定并安装好力传感器.

（6）安装好细线、滑轮及重物，面板前面放一钢尺，后边用强磁铁吸住.实验仪器即制作完成.

2 实验操作

（1）安装好实验装置，将细线右端挂在右杆的活动柱上.

（2）打开力传感器，长按力传感器的清零按钮，将传感器读数清零.

（3）将细线左端挂在力传感器挂钩上，挂上滑轮及重物，记下此时力传感器的读数，同时将钢尺方向调整为与细线平行方向.

（4）向下移动右端活动柱，细线右端从B点缓慢移动到C点的过程中，可以观察到细线的方向一直与钢尺方向平行，保持不变，θ角不变.同時观察力传感器的读数也没有发生变化.

（5）将细线右端挂在上杆活动柱上，细线右端从C点缓慢移动到D点的过程中，可以观察到θ角变大，同时观察力传感器的读数也变大.

由此得结论：绳子一端从B点缓慢移动到C点的过程中，张力F不变;绳子一端从C点缓慢移动到D点的过程中，张力F变大.

3 结束语

该实验仪器美观、尺寸适中，演示实验时教室最后排的同学都能看到明显的实验现象[2].用弹簧秤来测量细绳的拉力，弹簧秤会随着细绳拉力的变化而发生变化，对实验结果有影响[3].本实验装置用的是具有数显功能的力传感器.钢尺与强磁铁组合可以方便观察细线的方向是否发生了变化.活动柱以及柱上螺丝的设计，不仅可以使细线左右和上下移动方便、螺丝上可以挂细线、同时还可以拧紧螺丝将活动柱固定在亚克力棒上，便于稳定时传感器读数.

参考文献：

[1]张岩松.晾衣架模型的解题策略[J].数理化解题研究，2020（34）：87-88.

[2]马顺存. 浅谈自制实验教学仪器的原则——以自制平行板电容器电容大小的影响因素实验装置为例 [J].教育与装备研究，2018，34（12）：93-95.

[3]邵志慧，何少荣.搭建自制教具平台突破高中力学习题中疑难问题的教学策略[J].中阿科技论坛（中英文），2020（10）： 133-136.

（收稿日期：2021-03-22）