杠桿力臂教學與測量儀的制作和使用

權亮 蔣燕

【關鍵詞】物理教學;杠桿力臂教學;測量儀的制作;使用

【中圖分類號】G633.7【文獻標識碼】A

【文章編號】1004-0463（2019）11-0121-01

在中學物理教學中，杠桿實驗教學是力學中極為重要的內容之一。杠桿力臂作圖和杠桿平衡條件探究實驗是本章節的重難點所在，若要正確地畫出杠桿力臂，要建立在對力臂和力的作用線這兩個概念的正確理解之上;若要進行探究“杠桿平衡條件”實驗，必須要能準確地測量出任意方向力的力臂是關鍵。現公知的關于杠桿的實驗器材，對力臂和力的作用線這兩個概念的理解幾乎沒有幫助，導致學生在力臂作圖時錯誤百出。對于任意方向力的力臂大小的測量尚不能全覆蓋，致使學生對杠桿平衡條件還存有疑惑。為此，筆者通過潛心思考和反復嘗試，設計出了杠桿力臂教學與測量儀，可以幫助學生對力臂的正確理解和準確測量。

一、關于杠桿力臂測量器材的類型及局限性分析

第一類，課本和實驗室普遍使用的實驗器材如圖一所示，它只能探究出直杠桿在水平位置靜止時的平衡條件，從對力臂的理解和測量來講不足有三：一是沒有標識出力臂就是一條線段，對于力臂概念的理解沒有幫助;二是當杠桿傾斜靜止時無法測量力臂，對于什么是杠桿平衡有誤導之嫌，有部分學生認為杠桿傾斜靜止就不平衡;三是刻線落在杠桿上，會導致部分學生認為力臂始終在杠桿之上。

第二類，如圖二所示是杠桿平衡條件探究儀，它能較好地利用角度盤和指針解決了杠桿平衡的定位問題，能利用互變杠桿解決杠桿單一的問題，能利用懸掛法探究得出曲直杠桿的具有普遍意義的平衡條件。但從對力臂的認識和測量來講，也存在以下不足：一是它只能測量豎直向下的力的力臂，對于其他方向的力的力臂則無法測量;二是力臂失位，部分學生會認為力臂始終不在杠桿上，而在杠桿的下方，三是它未標識出杠桿是一條線段。

第三類，如圖三所示，是可測多方向力的力臂實驗器，它雖然能夠旋轉測量多個方向力的力臂，但仍有不足，一是沒有標識出力臂是一條線段;二是有些力的力臂它還是無法測量，如圖四所示。二、杠桿力臂教學與測量儀的制作與使用

1.制作。用一根長寬厚分別為26mm、30mm、1mm的硬質透明塑料尺，在一端的中間位置，鉆一小孔（直徑略大于轉軸直徑），其孔心為支點，再在尺子的中央沿尺長刻一條直線，作為力臂線，以圓心為起點，10mm為分度值，沿尺長刻上刻線，再用長寬分別為50mm、10mm的薄鐵片，兩頭縮進10mm并向上彎折成九十度角成凹槽，將尺子嵌進凹槽，在凹槽兩側中間高約1mm處對稱地鉆兩個直徑約為1mm的小孔，將長約150mm，直徑為1mm硬質細棒（力的作用線）穿過兩小孔，凹槽緊貼尺底面和兩側，細棒緊貼尺面，使得尺子恰能滑動為宜，細桿緊密穿過兩個小孔，但也要能來回抽動為好。這樣，力臂線就跟細棒保持垂直，則轉孔圓心和垂足之間的距離就是力臂了。如圖五所示。

2.使用。將轉孔套在轉軸上，處于杠桿的前面，當杠桿受力并恢復原平衡后，轉動透明尺，并滑動細棒，使細棒的一部分或全部跟力的拉線完全重合，則細棒所在的刻線位置即為力臂的大小，拉線所在的直線即為力的作用線，現存器材不能測量的力臂，使用杠桿力臂教學與測量儀能夠較好地解決，而且在多數情況下，力臂線、力的作用線和支點到力的作用點的連線圍成一個直角三角形，如圖六所示。