“探究杠桿的平衡條件”實驗核心解讀

摘要：本文解讀“探究杠桿的平衡條件”實驗與中考相關的所有問題.探究杠桿平衡條件這一實驗是初中物理的重點實驗之一，也是難點實驗之一，往往在教學過程中，由于學生存在知識與經驗的不足，常存在這樣或那樣的疑惑，對某個問題總不清晰或存在某些誤區，下面就本實驗的核心問題進行解讀，以供大家在教學中參考.

關鍵詞：探究；杠桿平衡；實驗

作者簡介：張秀娟，女，安徽省廬江縣，中學一級教師，研究方向初中物理實驗教學.

問題一、探究杠桿平衡條件的實驗目的是什么？

【解讀】實驗目的就是該實驗所解決的問題，探究杠桿平衡條件的課題就是實驗要解決的問題，所以本實驗的目的是探究杠桿的平衡條件或者是探究杠桿原理.

問題二、探究杠桿平衡條件這個實驗，需要哪些器材？

【解讀】一般情況下需要杠桿、支架、刻度尺、細線、質量相同的鉤碼若干.有時將杠桿與直尺組合成杠桿平衡儀，且杠桿平衡儀上有專門掛鉤碼的鐵絲環或塑料滑環，這時可不用細線，如圖1所示的杠桿.如果杠桿上沒有鐵絲環或塑料滑環，則要用細線制作滑環，如圖2所示的杠桿.

問題三、使用杠桿平衡儀，為什么還用刻度尺呢？

【解讀】杠桿平衡儀上每大格并不都是1cm，有的是2cm或3cm或4cm或5cm，如果杠桿上標有5、10、15、20的字樣，表示每大格為5cm，可能每大格還分成5至10個小格，實驗時可不用刻度尺，如果杠桿上只標注分格線，沒有數字，在直接讀取力臂時，每格是多少厘米不能確定，操作時要求先用刻度尺測出每格是多少厘米，最后計算力臂.如果按格數來讀取力臂，實際上是讀取力臂是多少格，雖然不影響探究的結論，但實際上忽略了力臂的單位，如果在實驗中，表格中給出力臂的單位，這時就不能格數來表示.

問題四、杠桿在什么狀態才平衡？

【解讀】物體處于平衡狀態的條件是物體受到平衡力作用或不受力，此時，物體處于靜止或勻速直線運動狀態，該物體處于平衡態.物體受力而平衡，這些力的作用線是交于一點的，杠桿在幾個力的作用下，這幾個力的作用線并不相交于一點；在杠桿受兩個力作用時，當使杠桿向相反方向轉動的力與力臂的乘積相等，這時杠桿平衡，杠桿平衡指杠桿處于靜止或勻速轉動的狀態.

問題五、為什么在實驗前與實驗過程中都讓杠桿在水平位置平衡？

【解讀】實驗前使杠桿在水平位置平衡的作用是：使杠桿的重心落在支點上（重力的作用線經過支點），這樣杠桿自重的力臂等于0，如圖3所示，這時杠桿重力對杠桿的轉動不產生影響，這樣就避免杠桿自重對實驗的影響.而實驗過程中使杠桿在水平位置平衡的目的是使動力與阻力的力臂正好落在杠桿上，如圖4所示，這樣便于測量力臂.

問題六、實驗前與實驗過程中分別是怎樣使杠桿平衡的呢？具體上有何技巧？

【解讀】實驗前是通過調節平衡螺母來實現的；技巧是杠桿的哪側高，可將任一側的螺母向該側調.如圖5所示，應該將左側或右側的平衡螺母向左調.實驗過程中是通過增減鉤碼個數（或改變拉力）或移動鉤碼的位置來實現的；技巧是哪側高，可向該側增加鉤碼（或在另一側減少鉤碼），也可將鉤碼向高的一側移動.如圖6所示，可以在杠桿左側增加鉤碼，也可在杠桿的右側減少鉤碼個數，也可以將左側鉤碼向左移動，也可將右側鉤碼向左移動.

問題七、只測一組數據得出“動力+動力臂=阻力+阻力臂”，這一結論為什么是錯誤的呢？如果得出：“動力×動力臂=阻力×阻力臂”這一結論算正確嗎？

【解讀】前者是錯誤的，因為不同的物理量不能加減；后者結論是正確的，但這樣就處理數據，得出結論是不妥的.因為一次實驗，結論具有偶然性，結論往往不具有普遍性.

問題八、為什么要多次測量而且是在改變動力或阻力、改變力臂的不同情況下來進行呢？

【解讀】物理學上在測量某個固定物理量時，多次測量目的是取平均值，減小誤差；在找規律的實驗中，一次測量具有偶然性，結論不可靠，只有進行多次實驗與測量，才能對數據歸納與總結，這樣結論才具有普遍性.同樣，如果只改變動力或阻力，也能得出結論，但它應該加上“力臂不變時”這個條件；其實，力臂變化時，杠桿的平衡條件也是成立的，不多次改變力或力臂，雖然能得出結論，但它不代表任何情況下都能成立，實驗不符合普遍情況下總結物理規律的要求.

問題九、“動力×支點到動力作用點的距離=阻力×支點到阻力作用點的距離”這一結論是否正確呢？

【解讀】這個結論是在動力與阻力都在豎直情況下成立，而在動力或阻力不豎直時則不成立.因為只在在兩個力都豎直時，力臂與支點到力的作用點間距離成正比，如果力不豎直，則這一比例關系不存在.

問題十、實驗中動力與阻力都是豎直的，這算不算實驗結論還具有特殊性呢？

【解讀】算，按道理應該探究動力、阻力在各種方向時的結論，考慮到不豎直的動力或阻力，它有力臂不落在杠桿上，給測量力臂帶來一定的難度，為了降低難度，在初中探究中不作“必須”的要求.

問題十一、如果要進一步探究動力與阻力在任意方向杠桿平衡條件都成立，應該怎么做？

【解讀】這就要利用彈簧測力計提供拉力，并測出力的大小，同時利用三角板與直尺來測量力臂.往往要兩人合作或在增加一塊豎直的紙板，用鉛筆描出力的方向，用三角板在紙板上畫出力臂再測量.

問題十二、為什么在杠桿兩邊不同的位置掛適當的鉤碼，杠桿也能平衡呢？為什么實驗時不這樣探究呢？

【解讀】實際上應該按照如圖7所示的方式來探究.要知道，力與力臂的乘積是有方向的，這個方向就是杠桿轉動的方向.使杠桿轉動方向相同的“力與力臂的乘積”就像物體在某點受到相同方向的力一樣，可以進行相加.廣義上杠桿的平衡條件應該是使杠桿轉動方向相反的“力與力臂乘積的代數和相等”，而初中不作要求，如果這樣探究，就很難歸納總結結論.

問題十三、實驗表格上“力×力臂”的單位用N·m，也有的表格上“力×力臂”的單位用N·cm，為什么都可以？

【解讀】前者單位為國際單位，后者單位為常用單位，其實，杠桿平衡條件兩邊的單位是相同的，可以削除，兩種單位都不影響結論的得出，但兩邊單位要一致.

問題十四、用測力計代替鉤碼，對實驗來說，有何優點與缺點？

【解讀】用測力計代替鉤碼有兩種方式，如圖8與如圖9所示，優點是鉤碼位置一旦確實，測力計拉力的作用點也確定，很容易使杠桿在水平位置處于平衡，且容易讀出拉力的大小.缺點是很難保持測力計呈豎直狀態，這樣力臂與支點到力的作用點間的距離不重合，拉力的力臂總是偏小，從而拉力總是偏大.

問題十五、若支點不在杠桿的中點時，實驗時為什么得不出杠桿的平衡條件？

【解讀】如圖10所示，在這種情況下，杠桿重心不在支點上，杠桿自身的重力對實驗產生影響，相當于杠桿在三個力作用下平衡，而實驗時往往沒有把杠桿重力產生的效果加入實驗數據的分析之列，這時測出的拉力偏大，最后結論與杠桿平衡條件不相符.

參考文獻：

[1] 黃玉華新編初中物理實驗手冊[M] 廣西民族出版社， 2006（1）.

[2] 景澤強初中物理實驗教學指導書[M] 教育科學出版社， 2015.

[3] 劉炳升，魏日升初中物理教師實驗技能訓練（初中物理教學法？下冊）[M] 高等教育出版社，1989（3）.