“探究杠桿平衡條件”實驗的價值最大化

倪金蘭

（杭州市錦繡中學，浙江 杭州）

在探究杠桿平衡條件的實驗中，為了方便從杠桿上直接讀取力臂的大小，在實驗的過程中，老師總是讓杠桿在水平位置達到平衡，這種特殊情形下的教學，在學生的頭腦中容易形成從支點到力的作用點的距離就是力臂的表象意識，從而存在著力的作用點跟力的作用線相混淆的缺陷。為了讓實驗器材能得出杠桿平衡條件，也為了讓學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驗。

一、正確認識力臂

如圖1所示，在杠桿左側A處掛鉤碼，在杠桿右側C處掛鉤碼，使杠桿在水平位置平衡；保持左側所掛鉤碼的位置和個數不變，改變右側鉤碼的位置，調整鉤碼的個數，使杠桿在水平位置重新平衡。提問：我們仔細觀察，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，那我可以認為力臂是支點到力作用點的距離？可以嗎？這時，學生肯定知道是不對的。接下來，就讓學生自己設計實驗。

作用在杠桿的拉力方向總是豎直向下，導致支點到力的作用線的距離和支點到力的作用點的距離重合，所以很多學生都會想到利用彈簧測力計斜拉使杠桿在水平位置平衡，如圖2所示，從而可以使彈簧測力計的力臂不在杠桿上，出現力臂和支點到力的作用線的距離出現不同的現象，這樣就能直觀奪形成思維沖突，方便學生正確認識力臂的定義，是支點到力作用線的距離。而非支點到力的作用點的距離。

此時，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重合，旋轉刻度尺，使刻度尺與彈簧測力計的刻度板保持垂直關系，那么圖3中動力臂L1就可以直接從刻度尺上讀出。

圖1

圖3

二、尋找最小動力的方法

教材中的這套實驗裝置除了可以正確的認識力臂之外，也能尋找最大動力臂和最小動力。在平常的教學過程中，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，所對應的力F2是最小的。學生雖然可以理解，但是缺乏直觀，形象的視覺記憶。讓學生在完成上述實驗的基礎上利用彈簧測力計更近一步地發現作用在杠桿上最小力時特點。

做完上述實驗之后，教師立即提問：在杠桿上斜拉彈簧測力計幫助我們正確了認識了力臂的概念，但是我們仍然不滿足，如果我們讓這個力運動起來，你會發現什么？這時，結合板書或PPT出示如圖的實驗裝置，在杠桿的同一點，改變彈簧測力計拉力的方向使杠桿平衡，讓學生完成實驗并記錄下三次位置時示數的大小。

圖2

師生一起分析和討論得到的數據，會發現F2的數值最小，而后讓學生在紙張上做出F1、F2、F3的示意圖，并且分別做出從支點到 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系，從而讓學生發現“最小動力”“最大動力臂”的關系。再從F1L1=F2L2的公式，理論的分析，加深理解。

真實的實驗操作形象直觀的數據體驗，讓學生尋找最小動力的方法，在實驗操作和理論分析中進一步深化認識杠桿的平衡條件，實現學生知識結構上的突破和發展。

“探究杠桿的平衡條件”這個實驗是《義務教育物理課程標準》提出的必做實驗之一，在學生完成這個實驗之后，利用同一套實驗器材，讓學生完成重新設計的兩個實驗，更深一層認識力臂的概念和求最小動力的方法。把“探究杠桿的平衡條件”這個實驗的利用價值達到最大化。