初中科學力臂概念的建立

游天下

[摘? ?要]杠桿是生產和生活中普遍使用的一種簡單機械，充分地認識杠桿的五要素對理解杠桿的工作原理、運用杠桿工作原理解決問題至關重要。其中力臂概念的建立是初中科學教學的難點。在建立力臂概念的過程中，最首要的是要尊重學生的認知規律，運用最簡單的實驗來引導學生。

[關鍵詞]力臂概念;初中科學;杠桿

[中圖分類號]? ? G633.98? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）05-0089-02

力臂概念的建立是杠桿教學中的重點，也是難點。它是理解杠桿工作原理的基礎，也是認識各種類型杠桿工作特點的基礎，更是今后高中力矩學習的起步。要有效地幫助學生建立力臂概念，需要我們明確它在教材中的呈現方式，以及在整個力學學習中的地位與作用。本文結合一些教學課例談談筆者的一些看法。

一、解讀杠桿與力臂

杠桿雖是生產、生活中的簡單機械，但對初中生來說卻是一種較為復雜的機械。教材在介紹杠桿時選取了學生最易理解的一種狀態來呈現，即杠桿的水平狀態。這樣，簡化了對力臂的認識，簡化了對轉動效果的理解，在一定程度上順應了學生的認知規律。

對于杠桿的五要素，無論是華師大版教材還是浙教版教材都用插圖配合文字來進行說明。對于動力、支點，學生理解上沒有太多的障礙，他們也能清楚地從中獲知什么是力臂，力臂該怎么畫。但如果按照學生的認知規律，僅僅以告知的方式來引出力臂概念，是無法真正起到有效建立概念的效果的。建立概念需要一個過程，所以從這個角度來說，在處理力臂概念時，在基于教材的同時大有文章可作。從充分地認識力臂到掌握杠桿的工作原理都需要給學生一個循序漸進認識概念的過程。按照目前的考試能力與要求，學生雖不熟悉“杠桿”這一簡單機械在生產中的應用，但其在生活中的應用極其廣泛，學生也較為熟悉，教師可以此為切入點進行相關教學引導。歷年中考杠桿試題的物理背景很多都來源于生活中的器械，如2018年寧波市中考題中的“自動排水裝置”、2018年臺州市中考題中的“自動開合電水壺”等，這對學生分析與應用杠桿的工作原理有不小的要求。

轉動效果是力作用效果的一種。在這之前，學生已對力的作用效果有一定的認識，知道力的三要素會影響力的作用效果。現階段的學生會認為杠桿的轉動效果也與力的三要素有關，也會有一些錯誤的認識。例如，力的大小、方向相同，作用點不同，所引起的轉動效果一定不同，杠桿一定不能平衡。先前對力的認知，能促進新知的形成，但也能對新知的學習形成一定的干擾，所以在開展教學前我們需要對這些種種可能了解清楚，做到心中有數。在忽略摩擦的情況下，力的轉動效果是由力的大小F和力臂L共同決定的，該知識就是力作用效果的細化部分，而力的大小和力臂就是對力的三要素的再認識，因此這部分內容在教材編排上起到了承上的作用。

高中物理用力矩概念表示力的轉動效果，力矩計算公式為M=FL，它把杠桿的平衡這種特殊情況進行了更全面的說明、更高度的概括，所以對力臂的認識有啟下的作用。

繼“杠桿”內容之后，下一課時內容是“杠桿平衡條件的探究”，找準力臂是探究杠桿平衡條件的基礎，也是歸納理解各種類型杠桿的特點及應用原理的保證。杠桿平衡是力矩平衡的最簡單情形，有固定轉動軸的物體的平衡條件是力矩的代數和為零，所以認識力臂是今后形成一系列相關規律的基礎。

二、建立力臂概念

1.借助圓盤

圖1是很多教師自制的教具，在一些疑難問題的研討中經常會看到。圓形木板的圓心固定在鐵架臺上，從圓心出發畫出一系列等距的同心圓，上面固定一些點用于掛鉤碼，水平桿上畫上刻度，用于讀數，兩端配以平衡螺母。教材裝置的力的作用點只能定在同一個杠桿上，而該裝置則可以在更大的范圍內改變力的作用點。這些同心圓有助于學生根據杠桿平衡條件歸納出力臂概念。這套裝置最大的優點是直觀，可以量化測量對比，可以解決力臂問題。但用該裝置建立力臂概念是否合適還有待商榷。該裝置從結構上看是一個變形的滑輪，無論是華師大版教材還是浙教版教材，知識順序都是從杠桿到滑輪，在杠桿平衡基礎上去認識滑輪的省力和費力問題，所以從知識角度來看，在水平直桿還沒認識清楚的情況下，去分析圓形物體的受力，這大大增加了學生的理解難度，不如教材用直桿來介紹杠桿的五要素來得直觀易懂。

2.開發直桿

圖2是筆者在一次公開課上的嘗試。將鉤碼和測力計作用在杠桿的同一側，目的是為了便于操作者讀數，同時避免測力計自身重力對實驗的影響。如圖2所示，在A點用力F1，B點用力F2使杠桿在水平位置平衡，說明力的作用點會影響杠桿平衡。回到A點用力F3，使杠桿水平平衡，比較力F1和F3，說明力的方向會影響杠桿的平衡。再在A點用力F4沿圖示方向使杠桿平衡，使F3=F4，引發思考：為什么F3和F4的大小及作用點相同、方向不同卻也能使杠桿在水平位置平衡呢？繼而利用自制的紙制刻度尺，在零刻度處打孔固定在O點，測量點O到力F3和F4的垂直距離，得出力臂大小。雖然力求在教材原實驗上尋求新的突破，但實際與理想的差距很大，測量時因操作角度不穩定，實驗結果沒有說服力。筆者經歷了一次失敗的嘗試。

3.力臂概念建立再認識

在別人經驗的基礎上結合自身失敗的嘗試，筆者對力臂概念的建立進行了再認識。在處理這個問題時，筆者認為最首要的是要尊重學生的認知規律用最簡單的實驗來引導學生。如圖3，將鉤碼和測力計分別作用在支點兩側，在A點用不同大小的拉力豎直向下拉杠桿，以說明力的大小影響杠桿水平平衡;在A點改變力的方向，以說明力的方向影響力的作用效果;在B點用更小的力就能使杠桿在水平位置平衡，說明力的作用點影響了力的作用效果。以上過程強化了學生對力的三要素與力的作用效果的認識。

如圖4，在A、B、C三點分別用大小相同的力沿圖示方向使杠桿處于水平平衡狀態。三個力的大小相同，方向、作用點不同，但作用效果相同。在差異中求同。三次實驗中杠桿水平平衡時有沒有共同不變的量？引導學生深入思考，大膽猜想。如學生遇到困難，可以用添加輔助線的方法先解決力的作用線的問題，再進一步引導學生做出猜想。這種在一定的事實與證據的基礎上進行猜想的方法是科學探究中的重要方法。這種在實驗中所碰撞出來的猜想非常具有價值。

待學生做出猜想之后，教師可以在原器材的基礎上再選幾個點進行實驗驗證，然后借助上述圓盤器材，將探究性實驗改為驗證性實驗，以促進學生更清晰地認識力臂的存在以及力臂概念。這樣處理，細化了探究的步驟，使得學生不再完全依靠實驗得出力臂概念。在實驗中引發猜想，又在實驗中驗證猜想，更能引起學生的共鳴。

上述教學中，教師從學生的原認知出發，將教學順序適當調整，基于學生的認知規律，降低學習難度，運用實驗事實引發學生猜想，引導學生探究，最終得出結論，建立力臂概念。建立力臂概念的過程中，教師是學生學習的“助手”，是引導者，應順應學生的認知規律，引導學生去有效建立概念。

（責任編輯 黃春香）