杠桿平衡條件探究儀

權　亮，裴會明，權鶴丹

(1.喬門九年制學校，甘肅 隴西 748000；2.文峰初級中學,甘肅 隴西 748000；3.隴西縣第一中學,甘肅 隴西 748100)

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基礎教育

杠桿平衡條件探究儀

權亮1，裴會明2，權鶴丹3

(1.喬門九年制學校，甘肅 隴西 748000；2.文峰初級中學,甘肅 隴西 748000；3.隴西縣第一中學,甘肅 隴西 748100)

杠桿平衡條件探究儀采用了互變杠桿，既可以探究直杠桿的平衡條件，又可以探究曲杠桿的平衡條件，較易得出較為普遍的結論. 該儀器設計了限位器，保證了儀器的穩定性；設計平衡指針和平衡角度盤，直觀地顯示杠桿平衡時的偏轉角度；同時通過力臂標尺可準確地測出動力臂和阻力臂.

杠桿；平衡；力臂

杠桿平衡條件的探究，是中學物理力學研究的重要內容，實驗的成敗直接關系到對相關規律和概念的正確理解. 現有的實驗器材如圖1所示.

圖1　原杠桿平衡條件實驗裝置

原實驗器材存在以下幾點不足：

1)僅能研究直杠桿在水平位置的平衡條件，得出的結論不具有普遍性；

2)對學生理解杠桿平衡會有不同程度的影響，部分學生認為杠桿在水平位置靜止就是平衡，在其他位置靜止就不平衡；

3)由于力臂刻度在杠桿上，對于學生理解力臂會產生偏差，有部分學生總認為力臂就在杠桿上，還會使實驗的驗證性有余而探究性不足，因為學生在實驗前的預習，已經知道了杠桿平衡條件，在實驗移動鉤碼時，會不自覺地把鉤碼移動到杠桿上的相應刻度位置；

4)原實驗器材沒有限轉器，實驗的穩定性差.

為彌補以上不足，筆者設計了杠桿平衡條件探究儀.

1　制作材料

1)底座： 用邊長30cm、厚2cm的硬質(質地堅硬，不易變形)正方形木板做底座，4角帶有4個圓形橡膠底腳.

2)豎直支架：平衡角度盤如圖2所示，用55cm×4cm×2cm的硬質木板，頂端呈半徑為5cm的直角扇面形，扇面正中刻上零刻線，并標上0°角，在零刻線兩邊分別以5°為分度值，依次刻上刻線，并標上20°和40°. 在圓心處垂直板面鉆直徑約0.3cm的圓孔，在圓孔里緊密穿過并固定1根長8cm、直徑0.3cm的光滑細鋼棒，鋼棒在板后面露出長約1.5cm,露出部分要有螺紋和螺帽.

3)力臂標尺和互變杠桿：取50cm×3cm×2cm的硬質木條2根，其中1根木條的表面刻上分度值為0.5cm的刻線，正中刻線處標“0”，兩邊依次標上5,10,15,20，單位是cm. 另一根用來制作互變杠桿.

4)限轉器：用2個長寬分別為12cm和1cm薄硬鐵片，在其一端適當位置鉆一小孔(直徑略大于0.3cm)，在離小孔約5.5cm的部位折成直角，如圖3所示.

5)附件：取長約4cm的紅色鋼針1枚，作為平衡指針，輕質長方形塑料框(長約4cm、寬略大于1cm)2個，長30mm的細棉線(帶線套)2根，鉤碼1盒.

2　制作方法

1) “士”形支架的制作. 將正方形底座放在水平臺上，在其中心位置固定豎直支架，在豎直支架上距離底座25cm處，水平對稱固定平衡標尺,再將2個限轉器的小孔套在豎直支架后帶有螺紋的鋼棒里，使其彎折部分朝前，然后用螺帽旋緊，這樣就做成了一個完整的“士”字形支架，如圖4所示.

2)互變杠桿的制作和轉換方法. 將50cm×3cm×1cm的硬質木尺用小鋸子分別截成20cm和30cm的2段，并在2段木條的切口處正中沿尺面方向縱切1.5cm，再垂直尺面橫切深0.5cm，去掉3cm×1.5cm×0.5cm長方體，把剩余的等大長方體切成直徑為3cm的凸半圓，然后正對凸半圓剜出一個直徑為3cm深為0.5cm凹半圓，這樣凸半圓和凹半圓正好就組成了1個圓，在圓心處鉆個小孔(螺釘剛好能旋進去為宜)，將兩尺凸凹半圓相對接卡入，再用長約1cm的螺釘和配套螺母將兩木尺旋緊連接起來，將螺母和螺釘帽鑲嵌進木尺，深度剛好使螺母面和螺釘帽跟尺面相平為宜. 用螺絲刀稍稍擰松螺釘，使長短兩尺在一條直線上或有一定的夾角(不小于150°為最佳)，然后擰緊螺釘固定，這樣就實現了直杠桿和曲杠桿相互轉換. 再在木尺正中偏上位置垂直尺面打一直徑約3mm小圓孔(帶上金屬箍)，兩端裝平衡螺母，在杠桿的頂端粘貼寬略小于10mm的軟橡膠條(如自行車內胎)，在杠桿的小孔正上方的橡膠面上固定平衡指針(指針跟杠桿后平面相齊為宜). 轉換后的直杠桿和曲杠桿的如圖5所示.

(a)直杠桿

(b)曲杠桿圖5　直杠桿和曲杠桿的正面圖

3　實驗操作步驟及方法

1)把“士”支架底座放在水平臺上，將杠桿調成直杠桿，再將杠桿小孔套在支架的細鋼棒上，前后移動杠桿，使掛鉤碼棉線剛好與平衡標尺面相接觸. 在杠桿兩端套上帶有棉線的硬塑料套.

2)調節平衡螺母，使平衡指針指在0°刻線上，此時杠桿在水平位置平衡. 再稍稍旋松豎直支架后面的螺帽，將2個限轉片分別向兩邊旋轉，以離杠桿上表面1cm左右的距離為宜，然后旋進螺帽將其固定.

3)在杠桿的兩棉線套上，掛上適當數量的鉤碼，左手抓住左邊的塑料套，右手稍稍擰松旋鈕，收攏兩限轉片. 再分別移動兩邊的鉤碼，觀察指針，當指針再次指到0°時，放開雙手，在平衡標尺上讀出動力臂和阻力臂的值，并連同鉤碼數目記錄在表格中.

4)取下鉤碼，調節平衡螺母，使指針指示在另一刻線處(如5°刻線)，此時杠桿是傾斜靜止(平衡)的，然后重復上述操作，使指針再次指在5°刻線處，再讀出力臂值，連同鉤碼數記錄在表格中. 該方法可探究直杠桿在任一位置靜止(平衡)的平衡條件. 實驗示意圖如圖6～7所示.

圖6　直杠桿水平平衡

圖7　直杠桿傾斜平衡

5)取下鉤碼，將直杠桿調成曲杠桿，然后重復上述操作，并記錄數據. 可探究曲杠桿在任意位置靜止(平衡)的平衡條件. 實驗示意圖如圖8～9所示.

圖8　曲杠桿水平平衡

圖9　曲杠桿傾斜平衡

6)分析處理數據，在誤差允許的范圍內，可得出普遍意義下的平衡條件：動力×動力臂=阻力×阻力臂，即：F1L1=F2L2.

4　杠桿平衡條件探究儀的優點

1)互變曲直杠桿的設計使用，能夠較方便地依次探究直杠桿和曲杠桿的平衡條件，得出具有普遍性的結論.

2)平衡標尺的設計應用，使得杠桿和力臂分離，既能糾正部分學生總認為力臂都在杠桿上的錯誤認識，還能準確地測量力臂.

3)平衡指針和平衡角度盤的設計使用，不僅能確切地指示杠桿的靜止(平衡)位置，還能幫助學生更好地理解杠桿平衡，同時還能吸引學生的注意力，讓實驗者無暇首先關注力臂的大小，使得實驗成為真正意義上的探究實驗.

4)杠桿頂部粘貼軟橡膠，在杠桿傾斜時起到了防滑作用，使得實驗能夠順利進行.

5)限轉片的設計運用，使得實驗更加安全、流暢和穩定.

6)平衡螺母的作用變為調節杠桿在不同位置靜止(平衡).

[1]姜蘭，孫偉.平面鏡成像實驗和引入力臂實驗的改進[J]. 物理實驗，2013,33(6):14-15.

[2]閆迎利,梁建均. 直接測量任意方向力的力臂[J]. 物理實驗，2003, 23(8):31-32,35.

[3]俞曉明,陳輝. 固體密度的測量[J]. 物理實驗，2012, 22(9):33-35.

[責任編輯：尹冬梅]

Deviceofexploringthebalanceconditionoflever

QUANLiang1,PEIHui-ming2,QUANHe-dan3

(1.Nine-yearSchoolofQiaomen，Longxi748000，China;2.WenfengJuniorMiddleSchool，Longxi748000，China;3.No.1MiddleSchoolofLongxi,Longxi748000，China)

Aflexiblelevelwasdesigned,andthebalanceconditionswereexplored.Limiterwasusedtoensurethestabilityofthedevice.Todirectlydisplaythedeflectionanglewhenthelevelbalanced,apointerandanangleplateweremountedonthedevice.Rulerofarmofforcewasusedtomeasureaccuratelythepowerarmandtheresistingarm.

lever;balance;armofforce

2016-03-17

權亮(1974-)，男，甘肅隴西人，喬門九年制學校一級教師，從事中學物理教學工作.

G633.7

A

1005-4642(2016)08-0039-03