淺談科學探究性實驗的教學實施

楊錦悅 任新成

摘 要：根據物理課程標準的要求：科學探究能使學生經歷基本的科學探究過程，學習科學的探究方法，發展科學探究的能力，形成尊重事實、探究真理的科學態度。文章借助自制教具進行實驗探究，不僅提高了學習的效率，而且培養了學生的科學探究能力。

關鍵詞：科學探究;杠桿;平衡條件

中圖分類號：G633.7 ? ??文章編號：2095-624X（2019）17-0084-02

一、提出問題

讓學生觀察公園中水平靜止的蹺蹺板、稱質量時水平靜止的秤桿、做俯臥撐時靜止的運動員等生活中常見的案例。通過觀察，提出學生感興趣的科學問題：在什么條件下杠桿工具會保持平衡并靜止？

二、猜想與假設

在提出猜想之前，我們首先分析影響杠桿平衡的因素有哪些？應用生活中常見的情景幫助學生提出合理的猜想。

師：小明和爸爸在公園玩蹺蹺板，由于小明的體重只有父親的一半，始終壓不動坐在對面的父親，大家有什么辦法能使蹺蹺板水平靜止在空中呢？

生1：讓父親往蹺蹺板中間移動。

生2：蹺蹺板比較長的話，也可以讓小明往后移動。

生3：找一個體重相當的朋友幫忙，坐在一起壓對面的父親。

生4：讓父親輕輕地壓蹺蹺板或者身體稍微抬高一點點。

師：總結大家給出使蹺蹺板水平靜止的辦法：其一是保持小明和父親的體重不變，讓小明往后移動或者讓父親往前移動，就可以實現蹺蹺板水平靜止，在這個過程中動力與阻力不變，改變力臂的大小就可以實現平衡，說明力臂是影響杠桿平衡的一個因素;其二是保持小明和父親的位置不變，增加壓力或者減少壓力就可以實現蹺蹺板水平靜止，在這個過程中動力臂與阻力臂保持不變，改變動力或者阻力的大小就實現了杠桿的平衡，說明動力和阻力是影響杠桿平衡的另一個因素。

我們得出結論：動力、動力臂、阻力、阻力臂是影響杠桿平衡的因素，那么杠桿在平衡時，動力、動力臂、阻力、阻力臂到底滿足什么關系呢？

猜想1：F1+L1=F2+L2

猜想2：F1-L1=F2-L2

猜想3：F1×L1=F2×L2

猜想4：F1÷L1=F2÷L2

師：在數學中數與數之間最基本的關系即加減乘除;而在物理中當兩者所表示的物理量相同時才能相互加減，所以我們可以排除哪些猜想呢？

生：可以排除猜想1和猜想2;猜想3和猜想4無法判斷。

師：為了驗證猜想是否正確，下面我們制訂計劃設計實驗。

三、制訂計劃與設計實驗

師：提供給大家的實驗儀器有鉤碼、彈簧測力計、刻度尺以及自制的實驗教具，結合蹺蹺板的情景和做俯臥撐的情景，思考以下幾個問題，設計實驗。

情景1：公園中正在玩蹺蹺板的小明和爸爸，小明的質量是爸爸的一半，問小明如何壓起坐在對面的父親。

問題1：在蹺蹺板模型中，用一個鉤碼表示小明重力，兩個鉤碼表示父親的重力，如何利用實驗器材使杠桿平衡，并且能方便地讀出杠桿平衡時力臂的大小？

生：我們用彈簧測力計可以測出鉤碼的重力或者根據鉤碼的質量直接計算出重力、用刻度尺可以直接測量力臂的大小，將杠桿調節水平靜止時，力臂在桿上，方便測量力臂的大小。

情景2：已知運動員的身高和體重，做俯臥撐時，問胳膊對身體的支持力為多少？

問題2：在俯臥撐模型中，用金屬桿表示運動員，我們如何測量出胳膊對身體的支持力？

生：用彈簧測力計可以測出金屬桿的自重以及作用在金屬桿上豎直向上的拉力，這樣就知道了阻力和動力的大小;用刻度尺測出支點到力的作用線的水平距 離，就得出了力臂的大小。

制訂計劃設計實驗：

①在圖1的蹺蹺板模型中，測出鉤碼的重力和桿的全長。

②如圖2，我們通過改變力臂的大小實現杠桿水平靜止在空中，測出動力臂與阻力臂的大小，得到杠桿平衡時的一組數據。

③如圖3，我們通過改變動力或者阻力的大小實現杠桿的平衡，測出動力臂與阻力臂，得到杠桿平衡時的第二組數據。

④如圖4的俯臥撐模型，在組裝教具之前，用彈簧測力計測得桿的自重（阻力），將彈簧測力計掛在桿的端點并將桿抬高使其靜止在空中，讀出拉力的示數（動力），用刻度尺測得支點到力的作用線的水平距離（力臂），得到第三組數據。

四、進行實驗與收集數據

教具1：

教具2：

根據設計的實驗步驟進行實驗，在圖1中測得一個鉤碼重0.5N，桿的全長為40cm;圖2通過改變力臂實現了杠桿的平衡，此時動力0.5N、動力臂20cm、阻力1N、阻力臂10cm;圖3通過改變動力的大小再次實現了杠桿的平衡，此時動力1N、動力臂20cm、阻力1N、阻力臂20cm;圖5桿的自重（阻力）0.76N、阻力臂18cm、彈簧測力計的拉力（動力）0.38N、動力臂36cm。將三組數據記錄在表格當中，并分析數據完成表格（見下表）。

五、結論與討論

通過觀察表格中的實驗數據以及數據處理，我們發現動力與動力臂的乘積始終等于阻力與阻力臂的乘積。重復多次實驗，最后依然得出結論：杠桿的平衡條件為F1×L1=F2×L2。

參考文獻：

[1]范應華.唇槍舌戰 樂在其中——初中物理《杠桿》教學花絮[J].教育實踐與研究，2013（6）.

[2]符東生.利用實驗幫助學生建構概念——以“杠桿”教學為例[J].中小學教材教學，2015（10）.

作者簡介：楊錦悅（1995—），女，碩士，研究方向：物理課程與教學論。

指導老師：任新成（1967—），男，教授，博士，研究方向：物理課程與教學論。