“探究杠桿平衡條件”實(shí)驗(yàn)的價(jià)值最大化

倪金蘭

（杭州市錦繡中學(xué)，浙江 杭州）

在探究杠桿平衡條件的實(shí)驗(yàn)中，為了方便從杠桿上直接讀取力臂的大小，在實(shí)驗(yàn)的過程中，老師總是讓杠桿在水平位置達(dá)到平衡，這種特殊情形下的教學(xué)，在學(xué)生的頭腦中容易形成從支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離就是力臂的表象意識(shí)，從而存在著力的作用點(diǎn)跟力的作用線相混淆的缺陷。為了讓實(shí)驗(yàn)器材能得出杠桿平衡條件，也為了讓學(xué)生正確理解力臂和力的作用的概念，筆者特別增加了一組實(shí)驗(yàn)。

一、正確認(rèn)識(shí)力臂

如圖1所示，在杠桿左側(cè)A處掛鉤碼，在杠桿右側(cè)C處掛鉤碼，使杠桿在水平位置平衡；保持左側(cè)所掛鉤碼的位置和個(gè)數(shù)不變，改變右側(cè)鉤碼的位置，調(diào)整鉤碼的個(gè)數(shù)，使杠桿在水平位置重新平衡。提問：我們仔細(xì)觀察，作用在杠桿上的力是什么方向？作用在杠桿的力都是豎直向下的，那我可以認(rèn)為力臂是支點(diǎn)到力作用點(diǎn)的距離？可以嗎？這時(shí)，學(xué)生肯定知道是不對(duì)的。接下來，就讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

作用在杠桿的拉力方向總是豎直向下，導(dǎo)致支點(diǎn)到力的作用線的距離和支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離重合，所以很多學(xué)生都會(huì)想到利用彈簧測(cè)力計(jì)斜拉使杠桿在水平位置平衡，如圖2所示，從而可以使彈簧測(cè)力計(jì)的力臂不在杠桿上，出現(xiàn)力臂和支點(diǎn)到力的作用線的距離出現(xiàn)不同的現(xiàn)象，這樣就能直觀奪形成思維沖突，方便學(xué)生正確認(rèn)識(shí)力臂的定義，是支點(diǎn)到力作用線的距離。而非支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離。

此時(shí)，教師可以出示一段帶有圓孔的刻度尺，將刻度尺的圓孔和支點(diǎn)重合，旋轉(zhuǎn)刻度尺，使刻度尺與彈簧測(cè)力計(jì)的刻度板保持垂直關(guān)系，那么圖3中動(dòng)力臂L1就可以直接從刻度尺上讀出。

圖1

圖3

二、尋找最小動(dòng)力的方法

教材中的這套實(shí)驗(yàn)裝置除了可以正確的認(rèn)識(shí)力臂之外，也能尋找最大動(dòng)力臂和最小動(dòng)力。在平常的教學(xué)過程中，教師均是通過F1L1=F2L2的公式，理論的分析在F1、L1不變情況下，L2最大時(shí)，所對(duì)應(yīng)的力F2是最小的。學(xué)生雖然可以理解，但是缺乏直觀，形象的視覺記憶。讓學(xué)生在完成上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上利用彈簧測(cè)力計(jì)更近一步地發(fā)現(xiàn)作用在杠桿上最小力時(shí)特點(diǎn)。

做完上述實(shí)驗(yàn)之后，教師立即提問：在杠桿上斜拉彈簧測(cè)力計(jì)幫助我們正確了認(rèn)識(shí)了力臂的概念，但是我們?nèi)匀徊粷M足，如果我們讓這個(gè)力運(yùn)動(dòng)起來，你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么？這時(shí)，結(jié)合板書或PPT出示如圖的實(shí)驗(yàn)裝置，在杠桿的同一點(diǎn)，改變彈簧測(cè)力計(jì)拉力的方向使杠桿平衡，讓學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)并記錄下三次位置時(shí)示數(shù)的大小。

圖2

師生一起分析和討論得到的數(shù)據(jù)，會(huì)發(fā)現(xiàn)F2的數(shù)值最小，而后讓學(xué)生在紙張上做出F1、F2、F3的示意圖，并且分別做出從支點(diǎn)到 F1、F2、F3的作用線的距離即力臂 L1、L2、L3。比較 F1、F2、F3的大小，比較L1、L2、L3，的大小。找出力的大小與力臂的變化關(guān)系，從而讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)“最小動(dòng)力”“最大動(dòng)力臂”的關(guān)系。再從F1L1=F2L2的公式，理論的分析，加深理解。

真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作形象直觀的數(shù)據(jù)體驗(yàn)，讓學(xué)生尋找最小動(dòng)力的方法，在實(shí)驗(yàn)操作和理論分析中進(jìn)一步深化認(rèn)識(shí)杠桿的平衡條件，實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)上的突破和發(fā)展。

“探究杠桿的平衡條件”這個(gè)實(shí)驗(yàn)是《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出的必做實(shí)驗(yàn)之一，在學(xué)生完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)之后，利用同一套實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生完成重新設(shè)計(jì)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，更深一層認(rèn)識(shí)力臂的概念和求最小動(dòng)力的方法。把“探究杠桿的平衡條件”這個(gè)實(shí)驗(yàn)的利用價(jià)值達(dá)到最大化。