54
不需力桌的靜力學實驗
李育賢1、李哲承2 1國立金門高級中學 2國立基隆女子高級中學 1[email protected] 以往，使用力桌做為靜力學實驗的工具， 實驗結果可以很精準，但是鐵質容易生鏽， 價格偏高等因素，或許不是每間學校都能有 這類的實驗教具。且學生在實驗的過程中， 容易花上很多的時間在架設儀器與調整。而 彈簧稱優點，就是發給同學們後自由的發揮， 並給一組 360 度的量角器，學生就能透過小 組合作完成單一靜力平衡的問題。本篇文章 使用彈簧稱並結合紙板，老師們花一節課的 時間，可以讓學生體驗力平衡的簡易實驗及 向量分析的技能。 圖 1：學生在操作三力平衡實驗。 而筆者發現，若只提供彈簧稱與量角器， 學生只能就實驗的結果，觀察出角度與力大 小的關係，若要再進行向量分析還需要另外 作圖，較無法由實驗的結果直接思考。因此， 作者設計了一個新的方法，提供學生輕紙板 與橡皮筋或綿線做為每個彈簧的連接工具， 這就能幫助學生直接在紙板上依張力的方向 畫直線後，再拿紙板下來做分析的依據，若 學生在取實驗數據的方式正確，量測結果經 計算後，雖然有一些誤差，但還是能幫助學 生動手與思考分析。 圖 2：利用紙板做四力平衡實驗。 利用紙板我們可以做四力平衡的實驗， 學生們可以互相拉至一個平衡後，在紙板上 畫記力的方向與大小，這裡必須提醒學生力 是延著橡皮筋或是綿線的方向，若找出力臂 並計算出力矩後，在紙板上做力矩平衡的計 算。 ∑ 𝜏⃑⃑ 𝑖 ３ i=1 = Ｆ １Ｒ１＋Ｆ２Ｒ２＋Ｆ３Ｒ３＝０ 在學習單中提供學生力矩平衡的分析方法 圖 3：學生在實驗後，於紙板上記錄力的大小方向， 並定義支點找出力臂。 10.6212/CPE.2016.1701.0755 把紙板與彈簧稱的靜力學還有一個好處， 老師可以設計更多有趣的題目，不論是三力 到多力的平衡，或是數據的計算與畫記，我 相這對老師或學生而言，這會是一個簡單便 宜且容易準備的方法。 圖 4：學生利用紙板做多力平衡的實驗。 上述的簡易實驗，雖然不如力桌實驗的 精確，但在經費與時間的限制下，都具有其 教學實務的可行性，更可進一步延伸力平衡 的情境(由平面改為鉛直)，促進學生的概念 推理。 除了上述實驗之外，課堂中還能利用所 發下的三~四個彈簧秤，設計觀念問題，試 舉一題如下： 如圖：三個相同彈簧稱分別為 A、B、C， 以相同的方向吊掛後平衡，三個彈簧稱的讀 數大小關係為何？
(A)A=B=C (B)A+C=B (C)A>B>C (D)C>B>A (E)A+B=C 說明：本題學生只要彈簧稱勾子方向保持一 致，不論勾子是皆向上或向下，都可以做答 題的依據，差別在勾子若向下 C 的張力為零， 若勾子向上 C 會有張力值。 上述題目以某次課堂為例，班級 28 位同 學在公佈題目後，個人作答學生答對人數為 9 人(32%)，之後開放學生討論，經過討論後 增加至 15 人(54%)，最後經由實驗後，學生 答對人數提高至 27 人(96%)。因此，小組討 論與實驗的操作都可協助學生獲得正確推理， 以本題而言，學生在實驗後作答的結果非常 理想。 表 1：學生在實驗中答題分佈(以 CLICKER 做為學生 即時回饋答題的工具) A B C D E 個人作答 15 2 9 1 1 討論後作答 12 0 15 1 0 實驗後作答 0 0 27 0 1 以學生的答題分佈來看，學生在個人作 答時主要選擇 A 與 C 選項，經過討論後有部 份的同學改選 C 選項，表示有大約一半的同 學們認為三個彈簧稱的張力是相同的，經過 了實驗的驗證後，幾乎全班的同學都能答出 正確的選項。 圖 5：學生實驗找出答案的情況。
