自制一種精準讀取力臂的杠桿演示儀

安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級中學(xué)(231551) 劉信生

1 傳統(tǒng)實驗存在不足之處

探究杠桿平衡條件實驗是初中物理教學(xué)的重點內(nèi)容之一。無論是演示實驗還是分組實驗，調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡，得出實驗結(jié)論是杠桿平衡中最簡單、最常見的特例，教材只安排這一簡單的探究，目的是降低實驗探究的難度。讓學(xué)生在這種特殊的情況——水平平衡狀態(tài)下進行實驗操作，總結(jié)得出杠桿平衡原理，在實際教學(xué)中有以下不足之處：

(1)學(xué)生狹義地理解為杠桿只有在水平位置才能平衡，力臂就是支點到力的作用點之間的長度。

(2)將鉤碼的重力換作彈簧測力計的拉力，特別是傾斜的拉力作用，其力臂的測量難度較大。

(3)即使采用垂直于作用力的刻度尺，也只能勉強測量出力臂，且需要多人合作，測量數(shù)據(jù)誤差大。

(4)學(xué)生在實操中無法體驗任意方向拉力的力臂測量，對學(xué)生物理思維訓(xùn)練的作用有限，其教學(xué)效果遠遠達不到課程目標中掌握力臂概念和理解杠桿平衡原理的要求。

如何準確、便捷地測量出杠桿力臂是實驗需要突破的關(guān)鍵。鑒于此，筆者在教學(xué)實踐中，將刻度尺的刻度線部分進行大膽改進，制作出一個人能輕松自如地精準測量作用在杠桿上任意方向拉力的力臂，如圖1所示。

2 實驗儀器的結(jié)構(gòu)和功能

2.1 刻度板的制作過程

首先我們在力臂的測量上有新突破，將刻度尺兩側(cè)的刻度線部分沿著縱向拉開距離，平鋪在A4紙較長的兩側(cè)，設(shè)計出一個有個性特色的刻度板。整個制作方法如下：

在電腦上安裝AdobePhotoshop圖像處理軟件，在界面上選取與A4紙長和寬相同的尺寸，沿其兩長邊畫出分度值為mm的刻度尺，將刻度線沿橫向兩等分，將零刻度線置于界面中央位置，用粗紅線畫出“0”刻度線，再以“0”刻度線為對稱軸左右對稱的位置標出以mm為單位的刻度，兩邊的量程均為15 cm左右，兩邊相對應(yīng)的刻度中，每隔1 cm用實線連接，每1 cm中間用虛線等分，在實線間標上刻度的數(shù)值。將設(shè)計好的特殊“刻度尺”彩色打印在A4紙上，用塑封機塑封好，如圖2中的圖①所示，再用打孔器在零刻度線處打上小孔做成刻度板備用。

2.2 刻度板測力臂的工作原理

如圖1所示，當(dāng)刻度板的零刻度線處的小孔與輕質(zhì)杠桿的支點共軸，那么在杠桿左右兩邊懸掛重物保持水平方向靜止時，兩邊的力臂可以從水平放置的刻度板上直接讀出。當(dāng)作用在杠桿兩邊的拉力不與杠桿垂直時，拉力的力臂又如何去測量呢？如圖2中的圖②所示，輕質(zhì)杠桿在F1、F2的作用下保持平衡，此時先順時針轉(zhuǎn)動刻度板，使刻度板上的刻度線與拉力F1作用線平行，我們根據(jù)力臂的定義，用虛線作出力F1對應(yīng)的力臂，再將虛線平移到刻度板對邊的刻度線上，發(fā)現(xiàn)它們與刻度板“0”刻度線、拉力F1作用線延長線構(gòu)成一個矩形，根據(jù)矩形對邊相等的性質(zhì)，此時F1力臂大小就是刻度板上的刻度線與拉線重合的刻度尺的示數(shù)(讀數(shù)時的視線一定要與刻度板垂直 )，記為L1。同理可得，如圖2中圖③所示F2的力臂大小就是刻度板上刻度線與拉線重合的刻度尺的示數(shù)，記為L2。

2.3 杠桿演示儀的組裝過程

精準讀取力臂的杠桿演示儀的結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。首先將演示杠桿支架豎直地固定在鐵架臺直桿上，將自制刻度板的小孔先穿入鐵架臺上固定杠桿的轉(zhuǎn)軸，再在轉(zhuǎn)軸上旋入螺母，前后兩枚螺母擠壓刻度板的松緊度適度，達到用手轉(zhuǎn)動刻度板且放手后刻度板可以在任意角度保持靜止為宜；然后將細線懸掛的重錘線系在轉(zhuǎn)軸上，調(diào)節(jié)刻度板，使刻度板的“0”刻度紅線與重垂線重合；再穿上輕質(zhì)演示杠桿，最后旋上杠桿的支點固定螺母；在杠桿兩邊可移動的懸掛點下分別系好帶有掛鉤的深色棉線，目的是方便加掛鉤碼。

圖3 演示杠桿的結(jié)構(gòu)圖

取60 cm×80 cm×0.8 cm透明亞克力板1塊，用木工鋸子(或者加工機器)將亞克力板做成“丫”字形，兩邊對稱地鏤空成圓弧狀槽子，取實驗室中去掉外框的塑料滑輪2枚，分別用螺桿穿過2枚滑輪的軸心和亞克力板的圓弧狀槽子，再用螺母在槽子的背面旋入螺桿，懸掛好左右兩邊的滑輪，通過調(diào)節(jié)螺桿上螺母的松緊保證兩滑輪可以固定在圓弧形槽內(nèi)任意位置，再把下方板面切掉，目的讓鉤碼能懸空，在亞克力板的中間靠正下方打2個孔，便于用螺絲將亞克力板豎直地固定在鐵架臺上，前后調(diào)節(jié)板面，使演示杠桿與其在同一豎直面內(nèi)。

3 使用杠桿演示儀探究杠桿平衡條件實驗

3.1 調(diào)節(jié)刻度板、杠桿水平平衡

將2根等長一端系有回形針做的掛鉤、一端系在杠桿兩邊掛重物的提扭的深色棉線自然垂下，調(diào)節(jié)提扭到支點的距離相等；輕輕轉(zhuǎn)動刻度板，使刻度板的“0”刻度紅線與重垂線重合；然后調(diào)節(jié)杠桿兩端的螺母，使杠桿在水平位置平衡。

3.2 探究實驗步驟

(1)將2根棉線分別繞過固定在滑槽中的滑輪，分別在左右掛鉤下加掛1個(0.5 N)和2個鉤碼(1.0 N)，移動杠桿上的懸掛提扭，調(diào)節(jié)杠桿再次在水平位置靜止，如圖4中圖①所示。

(2)順時針轉(zhuǎn)動刻度板，使刻度板上的刻度線與左邊力的作用線(細線)平行，如圖4中圖②所示，眼睛正視刻度板(找到細線與刻度線重合的位置)，讀出左邊作用力的力臂L1。

(3)再逆時針轉(zhuǎn)動刻度板，使刻度板上的刻度線與右邊力的作用線(細線)平行，如圖4中圖③所示，眼睛正視刻度板(找到細線與刻度線重合的位置)，再讀出右邊作用力的力臂L2，將數(shù)據(jù)記錄在表1中。

圖4 使用杠桿演示儀探究實驗一

(5)改變杠桿兩邊滑輪在滑槽中的位置(分別在左、右邊加掛1個和4個鉤碼)，不再移動杠桿上懸掛點的位置，讓演示杠桿在任意位置處于平衡狀態(tài)，分別測出各力及其對應(yīng)的力臂大小，將數(shù)據(jù)填入表1中。

表1 實驗數(shù)據(jù)的收集和整理

(6)將分別繞過固定在滑槽中的滑輪上的2根掛重物的棉線取下，讓其自然下垂，繼續(xù)探究杠桿提扭下豎直懸掛重物和杠桿水平靜止的情形，將實驗數(shù)據(jù)記錄下來。

(7)收集和整理數(shù)據(jù)，在實驗誤差允許的范圍內(nèi)得出結(jié)論：動力 × 動力臂=阻力 × 阻力臂 ，寫成公式為F1L1=F2L2。

裝置的創(chuàng)新點：

(1)將毫米刻度尺的刻度線平移到A4紙的兩邊，根據(jù)矩形的對邊相等的特性，再將零刻度線置于A4紙中間位置并且與支點重合，自制特殊的刻度板。

(2)靈活自由地轉(zhuǎn)動刻度板，讓掛重物的拉線與塑封的紙質(zhì)刻度尺(刻度板)的刻度線重合就可以讀出拉力對應(yīng)力臂的大小，鉤碼既可以豎直懸掛在杠桿上，也可以通過繞在亞克力板上的定滑輪隨意改變動力或者阻力的施力方向，保證實驗測得的數(shù)據(jù)具有普遍性。

(3)實驗過程中可以不必使杠桿在水平位置平衡(因為輕質(zhì)杠桿的自重可以忽略不計，對實驗測量結(jié)果幾乎沒有影響)。

(4)整個裝置可以固定在普通鐵架臺上，組裝簡單、快捷。既可以用作演示實驗也可以用作學(xué)生分組實驗。測量力臂精準、誤差小，時間短，效率高，價格低廉，特別適合課堂教學(xué)，值得推廣。

4 結(jié)語

在探究杠桿平衡條件實驗中，如何簡捷、精準測量力臂是整個實驗操作的難點，也是一線教師在教學(xué)實踐中優(yōu)化實驗裝置的關(guān)鍵點。筆者將刻度尺進行有效改進(杠桿刻度板的圖片可掃描圖5所示的二維碼下載制作)，制作亞克力支架，在鏤空為圓弧狀槽子中裝上定滑輪，巧妙地運用定滑輪不省力但可以隨意改變動力或阻力方向的特性，使實驗測量的數(shù)據(jù)具有普遍性。本作品已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利，專利號：2020 2 0821481.3。

圖5 杠桿刻度板的制作