“探究杠桿平衡條件”實驗改進與設計

裴會明 權亮

摘要：新設計的實驗器材可以直觀地讀出力臂和力，實驗前可先畫出力的作用線，學生對于力臂和力的作用線的正確理解有很直接的幫助；新實驗裝置不但可以探究得出普遍意義下的杠桿平衡條件，還能定量地探究得出最省動力的方向；新的實驗器材可以很好地幫助學生理解杠桿的多樣性和平衡，也有利于學生對滑輪的理解和教學。

關鍵詞：杠桿；平衡條件；實驗器材；改進；設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2014）09-0131

物理是一門以實驗為基礎的自然學科，好的實驗器材不但能幫助學生得出普遍意義下的重要的實驗結論和物理規律，還可以幫助學生理解相關的物理概念，對其他相關章節的教學也將會起到幫助作用。

一、現存實驗裝置和實驗方法的局限性分析

（新人教版）九年級物理教科書第十三章第四節杠桿一節，設有“探究杠桿平衡條件”的實驗，課本采用了如圖一所示的實驗裝置。該實驗裝置雖然巧妙地把力臂都置于杠桿之上，方便直接讀出力臂的值，但此裝置由于支點到力的作用點的距離跟支點到力的作用線的距離相重合，從而存在著力的作用點跟力的作用線相混淆的嫌疑。為避此嫌，有些教師則采用如圖二所示的裝置進行實驗，但此裝置的彈簧測力計的拉力的力臂并不落在杠桿上，顯得又不直觀，這種改變就有些顧此失彼。

以上兩種實驗裝置，很難探究出普遍意義下的杠桿平衡條件，實驗得出的僅僅是在直杠桿在水平位置平衡時的特定條件下的一個結論，兩裝置共同缺陷有四：一是對（如圖三、圖四等）杠桿的多樣性理解不夠；二是不能直觀地在器材上同時顯示力臂和力的作用線，不利于理解力的作用線等概念，對學生老出錯的力臂作圖沒有有效糾正；三是無法定性的探究出（如圖五等）情況下的最省的動力，對于多數學生不太理解的最省動力及其作圖得不到幫助；四是對于滑輪教學沒有啟迪性。

筆者根據平時的積累和思考，對該實驗進行了有益的改進：筆者新設計的實驗器材能克服以上所述的諸多缺陷，是一個較為理想的實驗裝置，現把自己的設計和實驗方法陳述于后，不足之處，希望專家和同仁不吝賜教。

二、主要新實驗器材的制作和用途介紹

1. 白色硬塑料光滑圓盤：中間開有直徑為2mm圓孔，質量分布均勻，圓盤直徑為21cm，厚約0.5cm。在圓盤上均勻畫出相鄰夾角相等的若干條直徑，再畫出半徑分別是2cm、4cm、6cm、8cm和10cm的一組同心圓，在半徑和圓周的每個交點處開有略大于針眼的小圓孔，以普通棉線能自由穿出為宜。那么，小孔所在的圓半徑就是力臂，小孔所在點圓的切線就是力的作用線。如圖六所示。2. 棉線兩條。3. 小鉤碼一盒。4. 量程適當的彈簧測力計一個。5. 光滑金屬圓桿：金屬桿直徑略小于2mm，使得其能在圓盤中央孔中自由穿過，并能保證圓盤在豎直平面內自由轉動為宜。

三、新實驗過程方法概述

1. 實驗探究杠桿平衡條件

將光滑金屬圓桿水平固定在鐵架臺的上端，在圓盤上任選倆小孔，過小孔用直尺彩筆畫出小孔所在圓的切線，將圓盤中心圓孔套在金屬桿上，圓盤能在豎直平面內自由自由轉動為宜，再將兩根棉線分別穿過選定小孔，并把兩頭打結成線套，在其中一個線套上掛上幾個鉤碼，另一個線套用調好的彈簧測力計的掛鉤勾住，再讓棉線沿著切線方向緩慢拉動彈簧測力計，使得掛鉤碼棉線與對應小孔所在的切線剛好重合時，圓盤保持靜止，掛鉤碼小孔所在的半徑為阻力臂，拉彈簧測力計小孔所在的半徑為動力臂，鉤碼的重力等于阻力，彈簧測力計的示數等于動力。如上所述，換用不同小孔連續進行多次以上實驗，并記錄實驗數據，進而分析出杠桿平衡平衡條件：F1L1=F2L2（如圖六所示）。

2. 實驗探究最小動力的方向

在圓盤的左邊任選一個小孔畫切線、穿棉線并打結，并掛上鉤碼，在圓盤右邊的次外圓周上任選一個小孔畫切線、穿棉線并打結，并用彈簧測力計掛鉤勾住，拉動彈簧測力計使得棉線分別與從小到大圓相切，使得阻力作用點跟支點在同一水平高度，分別記下彈簧測力計的數值，進行比較發現：當動力垂直于支點和動力作用線時，動力最小（如圖七所示）。

四、新實驗的優點

1. 實驗測量具有任意性和多樣性，得出的結論更具普遍性

（1）該實驗裝置有若干個小孔，任意兩個小孔就可以得到一組實驗數據，該裝置可以得到成百上千組數據，比原實驗裝置可供選擇的機會多得多，因此對于實驗結論就有多次驗證的機會。（2）彈簧拉力方向可向上向下和水平方向，避免了動力方向的單一性。因此，新裝置得到的結論更具有普遍性。

2. 便于更好地理解杠桿

（上接第131頁）

杠桿是可以繞固定點轉動的硬棒，其形狀具有多樣性。大體可分為支點、動力作用點、阻力作用點三點共線和三點共面兩種。新的實驗器材就可以很好地體現這兩種杠桿。新實驗器材以圓盤中心孔（支點），掛鉤碼的小孔位置（阻力作用點），彈簧測力計拉力所在小孔位置（動力作用點）三者之間畫出不同的封閉圖案，就能代表杠桿式樣。封閉圖案以外的部分，是用于平衡杠桿重力矩的。

3. 便于理解杠桿平衡

杠桿平衡狀態要么是靜止要么是勻速轉動，而不是在原實驗中的水平位置的平衡。該實驗裝置不但可以演示得出杠桿在任何位置的靜止平衡時的平衡條件，還可以用兩個彈簧測力計演示杠桿得出杠桿緩慢轉動平衡時的平衡條件。避免了杠桿只能在水平位置平衡的錯誤認識的發生。

4. 便于滑輪的教學

整個圓盤就是支點、動力作用點和阻力作用點三者之間的最大封閉圖形，也就是圓盤也是一個杠桿，而可轉動的圓盤也是滑輪，對于滑輪的認識和教學將起到承上啟下的作用。

5. 便于讀數和正確理解力的作用線和力臂

該實驗器材巧妙的利用了圓的半徑跟切線相垂直的特點，也用到了同心圓的特點，使得每個圓的半徑都可以是力臂，而且一目了然，實驗時讓學生畫出力的作用線（切線），不但為實驗時把握力的方向具有導向作用，而且有助于強化學生對力的作用線和力臂的理解。

6. 該實驗器材具有取材方便、制作簡單、用途廣泛、操作方便、現象直觀等優點。

五、延伸

如果給圓盤配上夾板掛鉤，再在圓盤外邊上開有0.5cm的槽，就又是一個滑輪模型，利用圓盤上的切線，使學生可以直觀地理解滑輪的支點和力臂。

總之，新的實驗器材不但能得出普遍意義下的杠桿平衡條件，還能演示得出最省動力的方向，對于學生全面的學習和理解簡單機械的概念和規律大有裨益，因此，新的實驗裝置可以說是一個較為理想的實驗器材，希望同行不妨一試。

（作者單位：①甘肅省隴西縣喬門學校 748000；②甘肅省隴西縣文峰初中 748000）