浅析《二力合成的实验探究》
◎ 胡海军
北师大版八年级物理教材，第七章运动和力的第四节同一直线上的二力合成，课文中主要介绍了合力的概念，通过实验探究总结同一直线上方向相同的二个力的合成及同一直线上方向相反的两个力的合成方法。
同学们在探究同一直线上方向相同的两个力的合成时非常顺利收集到实验数据并轻松分析出了数据之间存在的规律，轻松掌握了解决这类合力的计算方法。
但同学们在探究同一直线上方向相反的两个力的合成时，往往会出现下面的困惑，影响学生分析得出正确的实验结论：
首先部分学生按下面的实验步骤进行实验探究：
学生只用一只弹簧测力计向右拉橡皮筋时，测力计示数为1.2N，然后学生再分别用两只弹簧测力计分别向左右两个方向拉橡皮筋，且两次橡皮筋拉伸的长度相同，发现两只测力计向左右两个方向的拉力分别是1.2N。并且同学们反复改变了橡皮筋被拉的长度均得到了同样的实验数据。
为此同学们总结了这样的实验结论：同一直线上方向相反的两个力的合力大小与这两个其中任一个力的大小相等。这与学生生活经验中感知到的同一直线上方向相反的两个力的合力大小产生了严重的认知冲突。
为了让同学们把这个实验结论存在的问题想明白，我特意安排学生完成下面的实验：
实验前我先让学生猜猜这三个测力计示数大小会是什么样的关系？学生经过一翻激烈的讨论有两种结果赞成的人居多数：一是中间测力计的示数等于两边的测力计示数之和；二是左边的测力计示数等于右边两个测力计的示数之和。
当学生实验得出如图的实验结果时，三只测力计示数完全相同时，全班同学沸腾了，怎么会是这样啊，三个测力计的示数为什么会相等了？并且有些同学一次实验并不罢休，反复多次实验发现每次情况都是这样，这才停下了实验开始了思考与讨论。
之后我继续让学生通过实验来探索产生问题的根源。接下来我让学生用木块替换中间的测力计，然后重复再次进行实验探究，实验过程如下图所示。
将第二次实验中间的弹簧测力计换成了一木块，然后用两只测力计分别向左右两边拉木块，实验前让学生先猜想实验的结果，学生此时几乎给出了同样的答案：两个测力计的示数相等。通过实验验证后证实了学生的猜想是正确的。我顺势引导学生思考上面第二次实验中大家为什么会得到不同的两个猜想结论了，原因是什么？此时学生还没有学习二力平衡的相关知识，如果直接告诉学生这是一对平衡力学生还没有办法理解。怎么办？我再让同学们对实验方案继续进行改进，去掉中间的木块再做一次实验。
学生通过实验发现这两个弹簧测力计的示数是相等的，让学生解释原因学生很快分析出这是一对相互作用力，所以他的大小相等，反向相反。如果把上面的木块抽象成一个作用点的话，这两个测力示数大小相同就不难理解了。
再往上追述，以中间的弹簧测力计为研究对象，左边弹簧测力计对它的拉力应该与右边弹簧测力计对它的拉力相等。这和两个测力计与拉木块的道理相同。那么中间测力计的示数为什么不是2.4N？（左右两测力计的示数和呢？）且看它与左边的测力计又是一对相互作用力，所以这两个大小相等方向相反，所以它们示数应该相等。同样他与右边的测力计之间也传递了这一对相互作用力，因此三个测力计大小都是1.2N。
此时同学们又有了新的困惑。同一直线上方向相同的两个力的合力大小等于这两个力的和，这与日常生活中大家对力的感知是一致了。根据这样的生活经验，大家认为同一直线上方向相反的两个力合力大小应该等于这两个力的差？为什么得出的实验结果与生活经验有这么大的差距呢？
现在请大家认真来看一下一开始我们设定的实验方案，两个测力计分别向左右拉橡皮筋，使橡皮筋左右伸长，这一对拉力相当于一组相互作用力，因此大小是相等的。下面请同学按下面的方法再进行一次探究实验：将左边的测力计作用在右边的测力计挂钩上使橡皮筋伸长与只用一只测力计向右拉橡皮筋伸长相同的长度，读出两只测力计的示数，再通过比较两个拉力大小关系，看一下有什么发现。要求实验做三次，实验结束后学生发现当两个拉力的差每次都是与只向右施加拉力的测力计示数相等。从而归纳总结出同一直线上方向相反的两个力的合力大小等于这两个力的差，合力的方向与较大的拉力方向相同。从而得出了与生活经验一致的实验结论。
通过本节实验探究让学生明白了，实验探究中掌握正确的实验方法是得出实验结论的重要保障，希望大家在今后的探究实验中一定要认真研究和制定实验方案，只有制定了科学正确的实验方法才能得出科学合理正确的实验结论。
（作者单位：陕西省镇巴县兴隆初级中学）
