游標式力臂測量儀的制作與使用

梁云飛

(盱眙縣第一中學,江蘇 盱眙 211700)

1 問題呈現

蘇科版九年級物理上冊第十一章“探究杠桿平衡條件”實驗選用如圖1所示的裝置圖[1]，通過改變鉤碼的數量或位置和彈簧測力計的位置進行探究.

圖1 探究杠桿平衡條件

實驗過程中為了便于直接從杠桿上讀出力臂的大小，要求杠桿水平位置平衡，拉力的方向豎直向下. 此探究過程比較容易得出杠桿的平衡條件，一定程度上降低了教與學的難度.但是對于改變拉力方向(即拉力方向不再與杠桿垂直)，力臂大小發生變化，不能從杠桿上直接讀出，只能通過力臂(支點到力的作用線的距離)的概念來說明，缺乏科學的探究測量過程. 嚴格地說，通過此實驗得出的結論還不具有普遍性，尤其是學生容易將“支點到力的作用點”與“支點到力的作用線”混淆[2-5]. 鑒于此，本文利用身邊的物品，制作了游標式力臂測量儀，能夠較好地測量不同方向拉力的力臂，把“說力臂”轉變為“測力臂”，把“看結果”轉變為“重過程”，效果顯著.

2 游標式力臂測量儀的制作

實驗器材：標準刻度尺、硬紙板、小刀、鋼筆、透明抽桿夾、剪刀、細繩.

制作步驟：

1)取1塊硬紙板，裁剪成450 mm×30 mm的長硬紙板條，用標準刻度尺在硬紙板上標出刻度，畫出刻度線，并保證刻度線足夠長，如圖2所示.

圖2 標刻度 圖3 透明抽桿夾

2)將透明抽桿夾(如圖3所示)剪成兩小段，打孔穿繩，并固定于紙板上下兩側.

3)在自制刻度尺的0刻度線處打孔，便于其與杠桿上的支點位置重合.

通過以上步驟即可做出自制的游標式力臂測量儀. 在制作過程中，透明抽桿夾模擬了天平中的游碼，可以在硬紙板上自由滑動，即為自制刻度尺的游標，是游標式力臂測量儀的關鍵部分，如圖4所示. 在具體實驗過程中，通過拉直細線即可確定力臂與力的作用線的垂直關系. 當細線與刻度線重合時，表示力臂與力的作用線垂直,此時可直接讀數，如圖4(a)所示；當細線偏離刻度線時，表示力臂與力的作用線不垂直，此時不能直接讀數，如圖4(b)所示.

(a)垂直

3 使用游標式力臂測量儀測量拉力力臂

根據杠桿相關知識，力臂可以與作用力交于1點，也可以與作用力的反向延長線交于1點. 當力臂與作用力相交時，彈簧測力計與測量儀位于同側；當力臂與作用力的反向延長線相交時，彈簧測力計與測量儀位于異側. 本文針對這2種情況分別介紹了自制游標式力臂測量儀的使用情況.

3.1 彈簧測力計與測量儀位于杠桿同側

彈簧測力計與測量儀位于同側可以分為2種情況，這2種情況在測量力臂的過程中均不需要使用游標，如圖5(a)和5(b)所示.

(a)拉力方向為左下

1)令自制游標式力臂測量儀的0刻度與支點重合，使之固定并能夠自由旋轉；

2)拉動彈簧測力計，確定方向后，通過旋轉測量儀讓測量儀的刻度線與彈簧測力計的秤鉤桿保持在1條直線上(重合或平行)；

3)讀出測量儀上0刻度處到刻度線的距離，該距離即為拉力力臂大小.

3.2 彈簧測力計與測量儀位于杠桿異側

彈簧測力計與測量儀位于異側，也分為2種情況，這2種情況在測量力臂的過程中需要使用游標，如圖6(a)和6(b)所示. 在實驗過程中，通過移動游標使細繩與彈簧測力計的秤鉤桿保持在1條直線上，且保證細繩與測量儀上的刻度線平行，這樣就可以在測量儀上直接讀出0刻度處到刻度線的距離，即拉力力臂大小.

(a)拉力方向為右下

4 數據記錄

通過上述實驗可得到如表1所示的實驗數據. 通過表1中的實驗數據可得到以下結論：動力F1與動力臂l1的乘積近似等于阻力F2與阻力臂l2的乘積. 該結論在實驗誤差范圍內符合杠桿平衡條件. 因此，證明本文自制的游標式力臂測量儀可以直接用來測量拉力的力臂. 讓學生自制實驗儀器及演示測量過程，有助于學生進一步認識力臂的概念. 該過程不僅能夠培養學生的動手能力和創造能力，還有利于提升學生的科學探究素養.

表1 F2=1.0 N時探究杠桿平衡條件數據表

5 實驗變量與重點遷移

教材設計的實驗活動，自變量為阻力、阻力臂、動力臂，因變量為動力. 與之相比，由于拉力的方向不再沿豎直方向，使用游標式測量儀進行實驗活動時，動力的大小依然為因變量，而動力的方向轉變為自變量，動力臂則由自變量轉變為因變量. 這種變化使得實驗探究的重點發生偏移，由強調動態平衡中動力變化轉為強調力臂概念的精準建立，既是教材活動的補充，也為結論的普遍性提供了實踐基礎.

5.1 教材中的“3+1”變量——強調動態平衡中動力變化

在調節好杠桿平衡后，教材中給出了3個重要活動：保持鉤碼和彈簧測力計的位置不變，改變鉤碼的數量；保持鉤碼的數量和位置不變，改變彈簧測力計的位置；保持彈簧測力計的位置和鉤碼的數量不變，改變鉤碼的位置[1]. 保持F2,l2,l1中的2個量不變，改變另1個量，觀察彈簧測力計的示數，即動力的變化. 這里降低了特殊力臂的測量要求，強調了動態平衡中動力的變化情況，對于解決動力變化(包括最小力在內)的相關題型做了鋪墊.

5.2 使用游標式測量儀的“3+2”變量——強調力臂概念的精準建立

在原有實驗的基礎上，對學生有更高的能力要求，重心從觀察“彈簧測力計示數大小”轉為“測量不同方向上拉力力臂大小”. 保持F2,l2,F1的方向中2個量不變，改變另1個量，觀察彈簧測力計示數，即動力F1大小，并讀出動力臂l1.

6 結束語

游標式力臂測量儀具有取材方便、結構簡單、便于攜帶、操作方便、效果顯著等優點，該測量儀能夠測量任一方向拉力的力臂，并能夠幫助教師在課堂教學中把“說力臂”轉變為“測力臂”，把“看結果”轉變為“重過程”. 該測量儀的制作過程及測量拉力力臂過程體現了物理是一門實驗學科的特點，提升了學生的學科素養，有利于學生在認識力臂后對杠桿平衡條件的探究. 物理學科的特色莫過于一個個匠心獨運的實驗. 教師要善于從日常生活中觸手可及的器具中開發實驗器材，采用簡單樸實的方式展現復雜過程或抽象問題中的真實物理內涵，激發學生的學科興趣以及求知和探索欲望，這有利于在創新實踐活動中培養學生的創造能力和科學思維能力，更有利于提升學生的學科素養[2]，也讓課堂中的教與學充滿物理學科的“味”，從而提升學生在物理學科中的“品”.