探究杠桿的平衡條件

湖北省十堰市鄖陽(yáng)區(qū)城關(guān)鎮(zhèn)第一初級(jí)中學(xué)(442500) 陳約虎

1 教材分析

“探究杠桿的平衡條件”既是“力”的教學(xué)內(nèi)容的延伸，又是后續(xù)教學(xué)“其他簡(jiǎn)單機(jī)械”的基礎(chǔ)，這部分內(nèi)容起著承上啟下的作用。本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)主要分三個(gè)部分：第一部分是認(rèn)識(shí)杠桿，知道杠桿的五個(gè)要素，會(huì)畫(huà)杠桿的力臂；第二部分是探究杠桿的平衡條件實(shí)驗(yàn)；第三個(gè)部分是杠桿平衡條件的應(yīng)用。

2 學(xué)情分析

8年級(jí)學(xué)生雖然已經(jīng)具備相關(guān)的物理知識(shí)和科學(xué)探究素養(yǎng)，但對(duì)杠桿的認(rèn)識(shí)還很感性，比較膚淺、片面。因此，在教學(xué)中要鼓勵(lì)學(xué)生積極地去觀(guān)察、討論、猜想、探究，由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，從中歸納出杠桿的特征及平衡條件。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

(1)知識(shí)與技能：通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究得出杠桿的平衡條件。

(2)過(guò)程與方法：通過(guò)對(duì)杠桿的研究，培養(yǎng)學(xué)生的觀(guān)察能力和用科學(xué)的方法解決問(wèn)題的能力。

(3)情感態(tài)度與價(jià)值觀(guān)：學(xué)生使用改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器，滲透創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度。

(4)教學(xué)重點(diǎn)：理解杠桿的平衡條件。

(5)教學(xué)難點(diǎn):理解力臂的概念。

4 教法與學(xué)法

為了突出教學(xué)重點(diǎn)，突破教學(xué)難點(diǎn)，采用了以下的教法和學(xué)法。

(1)教法：主要采用演示實(shí)驗(yàn)法、引導(dǎo)啟發(fā)法。

(2)學(xué)法：自主學(xué)習(xí)法、實(shí)驗(yàn)探究法、小組合作法。

5 實(shí)驗(yàn)器材

(1)自制的杠桿、鐵架臺(tái)、鉤碼、彈簧測(cè)力計(jì)、圓形刻度盤(pán)、重垂線(xiàn)、細(xì)線(xiàn)。

(2)便于測(cè)量力臂的長(zhǎng)度。

6 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

在實(shí)際操作中，學(xué)生很難判斷杠桿是否在水平位置平衡，實(shí)驗(yàn)得出的僅僅是特殊情形下杠桿在水平位置平衡時(shí)的一個(gè)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)結(jié)論不具有普遍性，不利于學(xué)生理解力臂的概念。

在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置中，為了讓學(xué)生能準(zhǔn)確地判斷杠桿是否處于水平位置。在杠桿的支點(diǎn)處安裝了一個(gè)簡(jiǎn)易的重垂線(xiàn)，利用重垂線(xiàn)判斷杠桿是否在水平位置平衡，使零刻度線(xiàn)與重垂線(xiàn)重合，此時(shí)中間的軸線(xiàn)處于水平位置。實(shí)驗(yàn)時(shí)，若杠桿與中間的軸線(xiàn)重合，可以判斷杠桿處于水平位置。

探究各種情形下的杠桿平衡實(shí)驗(yàn)。先將杠桿調(diào)平，在杠桿的兩側(cè)掛上數(shù)量不同的砝碼，移動(dòng)懸掛點(diǎn)的位置，使杠桿處于平衡狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于測(cè)量力臂。筆者采用可轉(zhuǎn)動(dòng)的圓形刻度盤(pán)測(cè)出各種情形下杠桿平衡時(shí)力臂的長(zhǎng)度。懸掛點(diǎn)的細(xì)線(xiàn)可以作為力的作用線(xiàn)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)圓形刻度盤(pán)，使力的作用線(xiàn)與圓形刻度盤(pán)中的某條刻度線(xiàn)重合，此時(shí)該條刻度線(xiàn)所對(duì)應(yīng)數(shù)值就是力臂的長(zhǎng)度(見(jiàn)圖1)。

實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)如下：用質(zhì)量較輕的鋁合金作為杠桿，利用側(cè)面的滑槽安裝了兩個(gè)線(xiàn)卡作為懸掛點(diǎn)。左端安裝了平衡螺母，右端彎曲，設(shè)計(jì)成曲臂杠桿(見(jiàn)圖2)。為了讓學(xué)生明白力臂不一定在杠桿上，制作了可以轉(zhuǎn)動(dòng)的圓形刻度盤(pán)，零刻度在圓心上?？潭认騼蓚?cè)逐漸增大，每條刻度線(xiàn)與中間的軸線(xiàn)相互垂直。實(shí)驗(yàn)時(shí)將杠桿的支點(diǎn)位于零刻度處，調(diào)節(jié)平衡螺母使杠桿在水平位置平衡，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)圓形刻度盤(pán)測(cè)出各種情形下杠桿平衡時(shí)力臂的長(zhǎng)度。

圖2 改進(jìn)裝置各部分名稱(chēng)

7 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

7.1 提出問(wèn)題

創(chuàng)設(shè)蹺蹺板情景，讓學(xué)生想一想影響杠桿平衡可能與哪些因素有關(guān)？

7.2 猜想與假設(shè)

學(xué)生討論后可能得出：影響杠桿平衡的因素可能與力、力臂有關(guān)。

7.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

教師引導(dǎo)學(xué)生討論并展示設(shè)計(jì)方案，然后完善實(shí)驗(yàn)方案，介紹實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)及使用方法。

7.4 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集數(shù)據(jù)

根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)際操作，探究杠桿的平衡條件。教師指導(dǎo)學(xué)生完成分組實(shí)驗(yàn)，各小組探究過(guò)程如下：①探究杠桿在水平和非水平位置的平衡(見(jiàn)圖3)；②探究杠桿拉力在豎直和非豎直方向的平衡(見(jiàn)圖4)；③探究曲臂杠桿的平衡(見(jiàn)圖5)；④探究各種情形下杠桿的平衡。各小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。

圖3 探究杠桿在非水平位置的平衡

圖4 探究杠桿在非豎直方向的平衡

圖5 探究曲臂杠桿的平衡

7.5 分析與論證

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，學(xué)生交流、發(fā)言，得出杠桿的平衡條件是：動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂，公式表示為：F1L1=F2L2。

設(shè)計(jì)意圖：采用科學(xué)探究式教學(xué)，通過(guò)討論交流，引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)方案與測(cè)量方法；通過(guò)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，提升合作探究與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?shù)據(jù)收集與處理能力；通過(guò)討論、分析、論證等探究活動(dòng)，提升科學(xué)思維與實(shí)驗(yàn)探究的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

8 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

8.1 改進(jìn)創(chuàng)新點(diǎn)

(1)改進(jìn)裝置中，利用重垂線(xiàn)讓學(xué)生準(zhǔn)確地判斷杠桿是否處于水平位置，有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

(2)利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，探究多種情形下杠桿的平衡實(shí)驗(yàn)，有利于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力，也使得出的結(jié)論更具有普遍性。

(3)突破了力臂測(cè)量的難點(diǎn)，有利于學(xué)生理解掌握力臂的概念。

8.2 教學(xué)方式改變

在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生積極主動(dòng)參與科學(xué)探究過(guò)程，達(dá)成了教學(xué)目標(biāo)，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和學(xué)科核心素養(yǎng)。

8.3 反思及改進(jìn)

下一步考慮對(duì)圓形刻度盤(pán)再進(jìn)行改進(jìn)，使實(shí)驗(yàn)儀器精確度更高，直觀(guān)性更強(qiáng)，測(cè)量更方便。