對“探究杠桿平衡條件”實驗的改進

周懷明

(南京市雙閘中學,江蘇南京 210019)

九年義務教育教科書蘇科版《物理》九年級上冊第11章第1節中,活動11.2“探究杠桿的平衡條件”采用了如下的實驗裝置圖和實驗方法:

圖1

如圖1所示,在杠桿的左邊掛上一定數量的鉤碼,在右邊用彈簧測力計豎直向下拉,當杠桿處于靜止狀態時,我們就說杠桿處于平衡狀態.設彈簧測力計對杠桿豎直向下的拉力F1是動力,鉤碼對杠桿的拉力 F2是阻力.分別研究3種杠桿在水平位置平衡的情況,并將結果記入表格中(各測定一組數據).

1 實驗中存在的問題

以該教材實驗器材和方法進行實驗時,在實驗過程中會出現如下一些問題:

1.1 實驗測量結果誤差大

教材的實驗中涉及到彈簧測力計的使用,并且是豎直向下測量力的大小.學生在九年義務教育教科書蘇科版《物理》八年級下冊第8章第1節信息快遞中,已經學習了彈簧測力計的使用前調節:將彈簧測力計按測量時所需的位置放好,檢查指針是否在“0”刻度線處,若不在,校正“0”點.

實驗中要測豎直向下的拉力,根據該教材所講用法要將彈簧測力計拉環向下豎直放好,然后校正“0”點.實驗過程中,學生會讀出彈簧測力計的示數記為彈簧測力計對杠桿豎直向下的拉力F1.實驗中選用每個重力為0.5 N的鉤碼,J2103圓筒測力計.根據教材實驗步驟進行實驗,能得到表1的實驗數據:

表1

根據實驗的數據發現 F1L1≠F2L2,并且兩者差別較大,無法得出杠桿的平衡條件:F1L1=F2L2.

1.2 杠桿平衡不易判斷

實驗前要求調節杠桿在水平方向平衡,在實驗過程中也要求使杠桿再次在水平方向平衡時測量實驗的數據,但是實驗過程中,很難判斷每次杠桿是否與前面一樣是在水平位置平衡.實驗前和實驗過程中杠桿是否在水平方向平衡,只能通過感覺來判斷,這種判斷往往給測量結果帶來較大的誤差.

1.3 杠桿受力點移動難,容易脫落

實驗中為了容易在杠桿上掛鉤碼和彈簧測力計,在杠桿兩面的中間部分別開了一條凹槽,用對折的細鋼絲卡在兩邊的凹槽中,在細鋼絲上掛鉤碼和彈簧測力計.實驗過程要改變杠桿的受力點,就要移動細鋼絲的位置,細鋼絲和杠桿之間的阻力較大,不容易移動,并且當所掛鉤碼較多或彈簧測力計的拉力較大時,細鋼絲容易從杠桿上脫落,影響操作,鉤碼脫落也存在一定的安全隱患.

2 對問題1.1的分析

根據實驗的數據發現 F1L1≠F2L2,并且 F1L1＜F2L2.教材中設彈簧測力計對杠桿豎直向下的拉力F1是動力,教材中又要求用彈簧測力計去測量這個力的大小.在實驗過程中,學生根據已學過的知識會很自然地認為彈簧測力計的示數就等于彈簧測力計對杠桿向下的拉力.造成實驗誤差大,不能得出正確結論的原因也正在于此:實驗中彈簧測力計的示數并不等于彈簧測力計對杠桿向下的拉力,而要小于彈簧測力計對杠桿向下的拉力.學生在使用彈簧測力計測量豎直向下的拉力時,會按教材要求將彈簧測力計按測量時所需位置放好、校“0”后再使用.當彈簧測力計倒掛在杠桿上時,彈簧測力計自身對杠桿就有一個向下的拉力,這個拉力施加給杠桿的同時卻不能在彈簧測力計示數上反映出來,所以彈簧測力計的示數要小于彈簧測力計對杠桿實際向下的拉力,導致實驗中測出的F1偏小,使得F1L1≠F2L2.

3 對實驗的改進

3.1 對問題1.1的改進

對問題1.1的改進,有兩種方案.

方案1:利用鉤碼完成實驗

圖2

選用若干個重力相同的鉤碼,測出每一個鉤碼的重力,用鉤碼代替彈簧測力計對杠桿施加拉力.如圖2,實驗中將鉤碼豎直掛在杠桿支點的兩側,杠桿受到的力F1和F2大小就等于相對應的所掛鉤碼的總重力大小,通過改變所掛鉤碼的個數可以改變鉤碼對杠桿向下的拉力,即可以改變杠桿受到的力 F1和 F2,F1和 F2的力臂 L1和 L2可以通過改變鉤碼所掛的位置來改變.

實驗中選用鉤碼做實驗,不選用彈簧測力計,避免了彈簧測力計豎直倒放時,各部分重力對實驗測量結果的影響,杠桿所受拉力的大小直接通過計算鉤碼的總重力大小得到,實驗器材簡單,操作方便,并且實驗誤差小,能容易準確的得出杠桿的平衡條件.

方案2:改彈簧測力計豎直下拉為豎直上拉

實驗中仍然用彈簧測力計來測量杠桿所受拉力F1的大小,與教材相比,改變了彈簧測力計拉的方向,將彈簧測力計豎直向下拉改為豎直向上拉.如圖3所示,彈簧測力計與鉤碼放在杠桿支點的同一側,鉤碼對杠桿的拉力豎直向下,彈簧測力計此時豎直向上拉杠桿,使杠桿平衡.這樣,彈簧測力計在豎直方向校“0”后,測量過程中,彈簧測力計示數大小就是彈簧測力計對杠桿的拉力大小,避免了彈簧測力計自身重力對測量結果的影響.

圖3

3.2 對問題1.2的改進

在鐵架臺上杠桿支點的上方位置固定一水平的細鐵絲,鐵絲靠近杠桿較小的距離,每次調節都使杠桿與鐵絲平行,這樣就能保證杠桿每次在同樣位置平衡.當杠桿不在水平位置平衡時,杠桿與鐵絲就不能平行,并且很容易從兩者位置上觀察出來,也容易得出使之平衡的操作.

3.3 對問題1.3的改進

去掉細鋼絲,用細尼龍線做兩個能容易套在杠桿上的相同大小的圈,將線圈套在杠桿上,把鉤碼或彈簧測力計掛在線圈上,這樣線圈在杠桿上容易移動、便于操作,且線圈不會從杠桿上脫落.

通過上述方法對實驗改進后,實驗可操作性強,實驗誤差小,能準確得出杠桿的平衡條件,同時避免了彈簧測力計特殊使用時給學生帶來的困惑,避免實驗失敗對學生學習興趣的影響.

1 劉炳升,李容.義務教育課程標準實驗教科書(蘇科版)物理 9年級上冊.南京:江蘇科學技術出版社,2007.

2 劉炳升,李容.義務教育課程標準實驗教科書(蘇科版)物理 8年級下冊.南京:江蘇科學技術出版社,2007.