知其然，知其所以然
——以《探究二力平衡條件》實驗教學為例

李培如

（中山市東鳳鎮第二中學，廣東 中山）

《探究二力平衡條件》實驗是初中物理中一個重要的探究性實驗。在各種版本的教材中，處理該實驗的方案各不相同，有些教材使用卡片、木塊、小車為研究對象；對研究物體施力有些是采用懸空的方式利用彈簧測力計拉，有些是利用鉤碼來施力；有些教材利用旋轉的方式來改變力的作用是否在同一條直線上；一些教材將物體剪成兩部分來研究是否同一個物體。每種教材都是列舉實驗步驟，學生按部就班，只要完成所列舉的實驗步驟就能得到實驗結論，探究也就完成了。學生對于實驗為什么選擇這個研究對象，為什么要設計這樣的實驗步驟，為什么要采取這種實驗方法等，都不知所然，談不上理解實驗。學生沒有機會思考，教師也沒有引導學生思考，實驗能否采用另一種方法來進行。由于為了實驗而實驗，沒有思考和挖掘實驗過程中蘊藏的物理知識、物理方法，所以學生的實驗能力、學習能力、思考能力都沒有得到提高，對后期的知識學習和運用形成隱形的障礙。

在《探究二力平衡條件》實驗教學的過程中，我對這個探究的過程加以改進，期望在探究的過程中，能啟發學生的思維，提升學生的能力。在探究的過程中，我重點引導學生在每個環節進行思考，激發學生的思維，讓學生除了知道如何做實驗，也要懂得為什么這樣操作，發散思維思考實驗還能怎樣做。

我提供實驗器材：鉤碼若干、帶鉤木塊、帶鉤小車、卡片、彈簧測力計兩個、兩端帶滑輪的長木板一個、玻璃板一個、鐵架臺兩個、滑輪兩個。

接著，我向學生提出三個問題：（1）實驗中，我們選擇哪個物體作為研究對象？（2）我們采用何種方式對研究對象施加兩個力？（3）由于存在多個可能的影響因素，我們如何只“破壞”其中一個因素？

學生首先想到的研究對象就是鉤碼，選擇彈簧測力計施力。

圖1

圖2

圖3

師：如何呈現研究對象是處于平衡狀態呢？

生：當把兩個50 g的鉤碼掛在彈簧測力計下時，如圖1，可以發現拉力F=1 N，根據公式G=mg可以計算出物體的重力也是1 N，所以F=G時物體可以處于平衡狀態之靜止狀態。

師：你準備如何破壞兩個力大小相等呢？

生：當用手向下拉鉤碼，如圖2，使F≠G時松手，鉤碼會向上運動，不能平衡；當向上用手托住鉤碼，如圖3，使F≠G時松手，鉤碼會向下運動，不能平衡。

學生用熟悉的兩個器材鉤碼和彈簧測力計，通過讀拉力和計算重力的方法得出F=G時，物體可以平衡的結論。而要“破壞”“兩個力大小相等”這一條件時，分析重力大小不能改變，只能通過用手拉或者托鉤碼的方法來改變拉力F的大小，使之與G不相等，同時保證了這兩個力方向相反、作用在同一直線上。多好的思路呀！

圖4

圖5

師：如何只破壞兩個力方向相反這一條件呢？

生：保證兩個力的大小不變并且作用在同一條直線，只能改變力的方向，好像很難做到！

師：你認為彈簧測力計的拉力和鉤碼的重力，哪一個容易改變力的方向？

生：當然是拉力。因為重力的方向總是豎直向下。

師：那我們如何改變拉力的方向，同時要保證拉力與重力作用在同一直線上？

生：哦，我明白了！應該將拉力的方向改為向下。

學生倒轉彈簧測力計，彈簧測力計豎直向下拉鉤碼，如圖4所示。

師：如何只破壞兩個力作用在同一直線上這一條件？

生：斜著拉鉤碼，拉力就與重力不在同一直線了。

師：如果這樣操作，除了不在同一直線上，還有其他條件發生改變嗎？

生：還有力的方向發生了改變，不能滿足兩個力的方向相反的條件了。

學生經過分析，認為重力無法改變方向，拉力F必須豎直向上且作用線不能通過重心，只有這兩個力平行這種可能。學生提出可以用如圖5所示方案實驗。將鉤碼打橫，用手拉住鉤碼，使彈簧測力計示數為1 N，松手后鉤碼不能平衡。

到這里為止，探究實驗可以說已經完成了，也可以得出實驗結論了。但我繼續引導學生：這只是研究了物體在豎直方向上的平衡，能否設計出驗證物體在水平方向上平衡也需要滿足這三個條件呢？

學生利用原先器材，改為水平方向施力后，發覺對鉤碼施力不方便，于是學生提出用帶鉤木塊作為研究對象，但是在“破壞”“兩個力大小相等”這一條件時，發現F1=1.7 N，F2=2.3 N時木塊也能靜止，如圖6。

圖6

師：兩邊的力大小不相等，但物體也能保持靜止狀態，那是不是力的大小不影響物體的平衡？

生：兩個力大小不等，它們的作用效果不同，抵消1.7 N后，木塊還受到0.6 N向左邊的拉力，所以物體應當向左邊運動。

師：為什么不向右邊運動，反而保持靜止狀態？

生：說明有一個向左作用的力阻礙物體運動。對了，這個力應該是摩擦力，是木板對木塊的摩擦力，說明水平方向上，物體受到三個力的作用。

找到問題所在，那如何減小摩擦力呢？有些學生提出換用小車為研究對象或換用玻璃板來代替長木板，最后通過討論，大家認為滾動摩擦比滑動摩擦更小，所以換用小車為研究對象。實際上，這種改變還是存在問題，但老師沒有點明，讓學生繼續探究，延續自己的思路，讓學生在問題的解決中“頓悟”。

當用小車代替木塊在破壞“作用在同一直線上”時，發現旋轉角度小的話小車也會靜止，或雖然扭轉角度大時，小車不能平衡但也不能回到兩個力在同一直線上的狀態。如圖7。

圖7

師：不在同一直線上也能平衡，是不是之前的實驗結論都是錯誤的？可能是什么原因造成的？

生：扭過小車后，輪子在木板上橫向移動，它們之間的摩擦又變成滑動摩擦，摩擦力太大，影響實驗結果。

師：那有什么方法進一步減小摩擦呢？能不能“消除”摩力？

生：改變接觸面，用玻璃杯替代木板。

師：那也只能減小摩擦，因為兩個物體還是相互接觸。大家能否從摩擦力的產生條件思考？

生：對，把小車與木板分離。

于是有學生提出懸掛小車，發現很難讓小車在兩個“等大、反向、共線”力的作用下平衡，學生分析是小車重力太大，于是自然提出用卡片來代替小車。

當學生用卡片作為研究對象，用彈簧測力計來施加拉力時，無論如何都難以做到兩個力的大小不相等。就算學生采用另一種施力方式：一個彈簧測力計不用力，另一個彈簧測力計用力拉，發現兩個彈簧測力計的示數還是相等。偶爾出現兩個力不相等，也只是暫態的，很難看清楚。

師：為什么出現這種現象？

生：原因可能是這兩個拉力是一對相互作用力。

師：那又如何改變其中一個力的大小呢？

經過分析學生認為應該用鉤碼來拉卡片，這樣就可以通過增減鉤碼使兩邊的拉力大小不相等了。

師：使用鉤碼給卡片施力，那鉤碼又是如何產生水平拉力的效果呢？

生：改變力的方向。

師：如何改變？鉤碼的重力是豎直向下的。

生：一端水平拉著卡片，掛鉤碼的一端下垂，相互成90°。

師：何種方式能讓這條細線改變方向，成90°？

這樣，雖然定滑輪的知識還沒學習，但經過學生的思考，學生明白定滑輪的作用，從而將卡片懸掛在帶滑輪的長木板上進行實驗，如圖8。

圖8

師：在水平的方向上進行實驗，可觀性不強，大家能否將這個實驗改成在豎直的平面上進行呢？

生：將木板豎起來不是可以了嗎？

師：大家看，這樣能改變用力的方向嗎？滑輪失去了作用。

生：那利用兩個鐵架臺，把滑輪吊起來，再通過繩子把卡片掛上，就可以懸空在豎直平面上實驗了。

又是一個神來之筆，學生不斷地思考，不斷完善實驗，效果越來越好，越來越接近“目標”！

在用卡片設計實驗過程中，還遇到一個問題，如何只“破壞”兩個力作用在同一直線上這一條件呢？

生1：將卡片向下拉，然后松手。

生2：那不行，兩個力的方向不是相反了。應該扭轉卡片。

師：扭轉卡片，要扭轉到什么程度？

生：扭到兩條繩子平行就行。

同學提出方向相反不在同一直線上的兩個力只有是平行關系，如圖9，學生在之前的實驗基礎上容易解決問題。

圖9

圖10

師：但同學們思考，是不是將卡片扭轉90°，兩個拉力就一定平行？

學生經老師的提醒，發覺兩個定滑輪的高度一樣，扭轉卡片后，兩條繩子是斜著平行的，不是在水平方向上平行。

生：把定滑輪的高度調整一邊高，一邊低，兩者的高度差為卡片的高度。

以上探究的是物體在豎直方向或者水平方向上的平衡，利用調整滑輪的高度后的裝置，也恰好向學生驗證了斜的一直線上，同樣滿足平衡的條件。

科學探究是中小學科學教育的核心內容之一，無論是國家課程標準，還是新近發布的《中國學生發展核心素養》，都反復強調了科學探究能力的重要性。貌似簡單的《探究二力平衡條件》實驗，蘊藏著非常豐富的認知資源，值得更深入地科學探究。層層深入、不斷修正，這恰恰反映了科學探究的本質。

什么樣的知識適合探究、如何設計實驗進行探究、如何探究方案中的邏輯關系等，這是我們一線教師必須要考慮的問題，在教學中培養學生的創新思維和思考能力。教師不僅要教給學生知識，還應該教給學生方法，提升學生的思維水平和創新能力。知其然，知其所以然。學生不僅要知道實驗怎么做，也應該了解實驗為什么要這樣做，還應該去思考該實驗還可以怎么做，這些將內化為學生自身的科學探究能力。