在體驗中“消化”杠桿的平衡條件
2007-12-31 00:00:00范仲遠
物理教學探討 2007年24期
同學們，杠桿的平衡條件及應用是初中物理教學的一個重、難點。如果把“吃”的更透，“消化”的更好?把它和我們切身體驗結合起來，在學習中將達到事半而功倍的效果。我們知道，人體是一個體現生命存在的有機體，人們支配自己的身體最直接、最自由，同時也最習以為常，當然也最容易被人忽視。在不同的條件下，人體又可以被簡化為一個個活動的有意義的個體，賦予他物理的意義，從物理的角度去理性的分析人體結構，其中之一就是將人體的某些結構看成杠桿，讓利用所學杠桿平衡條件重新認識自己最熟悉的身體，這把所學理論和生活體驗相融合，增加了習題的情趣化?，F選兩例加以詮釋，以期達到拋磚引玉的目的。
1 利用杠桿的平衡條件分析人體中的杠桿
例1 人體的運動系統相當復雜，但最基本的運動形式是，骨骼在肌肉提供的動力作用下繞關節轉動。如圖1所示是手端起茶杯的情景，其前臂骨骼相當于杠桿，肱二頭肌收縮提供動力。由圖可以看出，這是一個( )
A．費力、省距離的杠桿。
B．省力、費距離的杠桿。
C．既費力，也費距離的杠桿。
D．既省力，也省距離的杠桿。
針對本題，首先要讓學生清晰的領會題目中提供的信息:人體的各種運動最基本的呈現形式是在肌肉施加動力的條件下繞關節轉動的杠桿，在此基礎上，適當介紹人體共有600多塊肌肉，都是由神經控制，分別負責各部分的運動。當你踮腳、抬腿、彎腰、伸臂、點頭、做俯臥撐等動作時，你就用到了身上的各種各樣的杠桿。然后我和大家伸出各自的胳膊，共同體驗前臂上的杠桿，并讓大家結合圖1介紹這個杠桿的結構: 手、手腕、尺骨和橈骨(前臂骨骼)看作一個整體，相當于一根杠桿，肘關節相當于支點。最后要求大家根據自己的理解畫出這個杠桿的模型并作出他的力臂，如圖2所示。
根據杠桿平衡的條件，很容易得出F1＞F2，即選擇A項。
為了加深對這個問題的理解，可以再進一步讓學生思考當手沿著圖1所示虛線方向端起茶杯的過程中，動力F1是如何變化的?在學生思考和討論的過程中，教師可提醒學生不妨再畫出前臂上移到另一個位置時的力臂圖3所示:把圖2和圖3作一下對比，可以發現: l′2＜ l2，l′1 ＞l1，而F2不變，由杠桿的平衡條件當然可知F′1變小。這時讓學生自己拿起一摞書本演示端起茶杯的過程，體驗施加力的大小。這樣，學生在“做”中加深了對知識的理解，達到了此時無聲勝有聲的境界。
2 利用杠桿的平衡條件計算人體中的杠桿
例2 人在踮腳時主要靠腓腸肌收縮，如圖4所示。若某人的重力為500N，MO=2NO，則雙腳同時踮起時，每只腳的腓腸肌的作用力是_______。
師：我們解決這個問題的思路是怎樣的?
(因為有了前面的知識做鋪墊，多數學生能想到用杠桿的平衡條件去解答)
生：我想用杠桿的平衡條件去解決。
師：既然用到杠桿的平衡條件，那么這里的杠桿由哪幾部分構成?
生：腳趾、足弓、骨骼看作一個整體，視為一個杠桿，其中腳趾是支點。
師：大家來共同體驗一下這個杠桿。
生：起立，踮腳跟體驗。
師：大家能否根據自己的體驗畫出這個杠桿的模型?
生：學生畫杠桿模型如圖5。
師：寫出你們的解題過程。
生：在畫出杠桿的力臂之后解答過程如下：
師：125N＜250N ，比較數據我們可以發現：一只腳的腓腸肌只要施加一個很小的力，就可以支撐人體一半的重力。請思考一下，在實際生活中對于不同體重的人在運動中各有何利弊?
生：體型適中的人在運動中活動自如就是因為他的腓腸肌承受的力較小的緣故。
生：肥胖癥患者行動遲緩就是因為他在踮起腳的過程中腓腸肌承受的力較大的緣故。……
師：可見，人體在運動過程中也離不開杠桿的平衡原理.另外，在上題中我們取的是: MO=2NO，實際上MO＞2NO，由此我們還可以發現:在其它條件相同的情況下，一個人的腳越長，相應的他的腳部的動力臂越長，阻力臂越短，則用力越小，跑起來也就會越快。
老師作為新課程的研究者、開發者，盡可能在習題教學中精選一些與現實生活聯系密切的例題，一方面引導同學參與分析解題過程，培養其思考問題的方式;另一方面要善于挖掘題目中的興奮點，在得出答案之后，要讓同學結合實際體驗這個數據的真實性，以及在現實生活中的作用，使它們既看得見，摸得著，而不再是一個空洞的數據。
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
