以蠟燭蹺蹺板為引導談穩度理論與應用揭秘

摘 要：挖掘身邊最平常的器材進行實驗是課程標準中提倡的關于提升核心素養最基本的途徑之一，教師引領學生在實驗中獲得最不平凡的發現是實驗教學最基本的思想，與提升核心素養的途徑一脈相承.本文以2021年江蘇省揚州市中考試題第11題“小制作：蠟燭蹺蹺板”為例，以蠟燭蹺蹺板為引導，揭示重心奧秘，進而談穩度理論及在生活中的基本應用.

關鍵詞：蠟燭蹺蹺板;穩度理論;降低重心

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）24-0058-03

作者簡介：朱斌（1972-），男，江蘇連云港人，本科，中學高級教師，研究方向：初中物理教學.

挖掘身邊最平常的器材進行實驗是課程標準中提倡關于提升核心素養最基本的途徑之一，教師引領學生在實驗中獲得最不平凡的發現是實驗教學最基本的思想，物理實驗不僅是建立概念與規律、獲得知識的基礎，又是培養學生動手動腦的主要途徑，更是提升學生核心素養的主要手段之一.在物理教學中離開物理實驗，由此形成的一系列理論知識將只是空中樓閣，更是無源之水、無本之木，失去物理教學的本質.

蘇派物理代表學者，南師大物理科學與技術學院劉炳升教授一直強調“在物理教學中不僅要做實驗、做好實驗，而且要加大實驗比例，全面開發實驗的教學功能，用物理實驗將學生從繁重的物理學習中解放出來，進而關注學生的好奇心與求知欲”[1].生活中奇妙的物理現象很多，請不要視而不見，只要動手參與實驗都有可能發現其中的奧秘.如2021年江蘇省揚州市中考試題第11題（選擇題），這是一道間接源于多版本教材中關于杠桿知識在生活中的應用，直接源于蘇科版物理九年級上冊P8中www“小制作：蠟燭蹺蹺板”，這是杠桿知識、重心知識等在蠟燭蹺蹺板中的應用，本文以蠟燭蹺蹺板為引導，揭示重心奧秘，進而談對穩度理論與規律的揭秘及在生活中的基本應用.

原題展示：（2021年江蘇省揚州市）如圖1所示是有關蠟燭蹺蹺板的小制作，下列說法正確的是

A.選用越粗的蠟燭效果越好

B.轉軸位置離蠟燭重心越遠越好

C.為防止蠟燭擺動過大而翻轉，可使轉軸位置處于蠟燭重心上方

D.為防止蠟燭擺動過大而翻轉，可將蠟燭兩端的下側面削去一些

著名物理學家、《物理教師》雜志創始人朱正元教授一直強調“壇壇罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”，這就是鼓勵教師用身邊最簡單的器材做實驗，讓學生在簡單實驗中獲得物理知識，得出物理規律.然而目前物理教學的實際現狀是物理實驗逐漸被口頭語言、PPT、粉筆、習題等形式代替，實驗教學越來越得不到重視，這與課程標準所倡導的通過自主探究的教學方式，讓學生在科學探究實驗的過程中學習研究物理問題的方法，在實驗教學中培養學生創新精神及探究能力等方面相違背.

基于以上背景，在2021年江蘇省揚州市中考物理試題中將小實驗，特別是教材中的小實驗融入中考試題之中，這是不拘泥教材但又不脫離教材的最典型體現，是培養學生科學探究能力的基本途徑之一.這道蘇科版教材九年級上冊P8中www“小制作：蠟燭蹺蹺板”原本是較為簡單的實驗問題，是學生原本都參與制作過的蠟燭蹺蹺板，考查知識點簡單，這是命題者的初心，然而通過今年參與中考閱卷，筆者發現，這道簡單的小實驗讓87.5%的學生失去分數，學生對A、C、D三個選項中出現的概念、知識、規律等存在迷思現象，導致學生不能正確把握，這是出現錯誤的根本原因，如果當時教師能夠引導學生進行蠟燭蹺蹺板的小制作，分析實驗成敗的影響因素，解決本題可謂游刃有余.

1 蠟燭蹺蹺板的實驗還原及理論支撐

這是一道源于課本中的簡單小制作實驗，如果學生能夠親自參與實驗，在實驗過程中分析制作蠟燭蹺蹺板的成敗因素，不僅能夠在本題中獲得正確選項，而且能夠培養學生科學探究能力、解決現實問題的本領、提升核心素養.

1.1 實驗還原

如圖2所示是制作蠟燭蹺蹺板的基本過程，這里可選用一只普通蠟燭、一枚大號縫衣針、兩只玻璃杯.用小刀將蠟燭兩端削尖并露出燭芯，將縫衣針垂直穿過蠟燭重心（如圖2甲所示）;為使蠟燭蹺蹺板保持水平位置平衡，可用小刀對蠟燭兩端分別進行適當削剪（如圖2乙所示）;同時點燃蠟燭兩端燭芯，由于兩端燃燒速度不可能完全相同，導致燃燒速度快的一端滴的蠟燭油比燃燒速度慢的一端多，如在本實驗中左端燃燒速度快（如圖2丙所示）;這時蠟燭右端下沉，由于火焰向上，這時又出現右端燃燒速度快，導致左端下沉（如圖2丁所示）.如此往復，形成蠟燭蹺蹺板.

注意：由于涉及到蠟燭燃燒，請注意安全.

1.2 理論支撐

本實驗中蠟燭蹺蹺板小制作是杠桿平衡條件F1·L1=F2·L2在生活中的實踐應用之一，要使制作出的蠟燭蹺蹺板效果好，蠟燭擺動幅度小，取決于縫衣針垂直穿過蠟燭左右兩端的力與力臂的乘積（即力矩）大小，同時要盡量降低蠟燭重心，因為蠟燭重心越低擺動幅度越小，這就如同卡車在運送重力不同貨物時，往往需要將重的物體放在下方，以降低卡車上貨物的重心，提高其運行的穩定性.

在本實驗中學生最易判斷出選項B是錯誤的，試想如果轉軸位置離蠟燭重心遠的話，剛開始蠟燭就會處于豎直方向（不會保持水平方向），同時點燃蠟燭，下方蠟燭燃燒將永遠比上方蠟燭燃燒快，這時不會出現蠟燭擺動現象，且蠟燭會很快燃燒完;對于選項A認為選用較粗的蠟燭效果好，也是不正確的，當左右兩端蠟燭燃燒滴下蠟油時，如果選用較粗的蠟燭，減少的蠟燭占全部蠟燭重力的比重很小，所以蠟燭擺動幅度非常小（幾乎不擺動），這就好比現實中的蹺蹺板，如果在蹺蹺板上人掉下一串鑰匙，對蹺蹺板轉動效果也幾乎沒有影響，因此，選用細的蠟燭效果好.

本實驗重點討論選項C，進而解決選項D，這里的選項C、D都是涉及蠟燭重心高低對蠟燭蹺蹺板擺動效果的影響因素.為此，教師需要揭秘重心及重心高低對平衡程度的影響.

重心是物體所受重力的等效作用點，是力的三要素之一，本題中為防止蠟燭蹺蹺板擺動幅度過大而翻轉，即提高蠟燭的穩定程度（以下簡稱“穩度”），物體在某一方向的穩度與物體重心高低存在什么關系[2]，在高中《物理（必修1）》中通過情境思考雙錐體在斜面上能夠自動上滾的現象，使學生能夠進一步了解物體總是通過降低重心，趨于最穩定的規律進行運動[3].為此，下面筆者通過一個“無人駕駛的圓盤”談重心越低越趨于穩定.器材：在餅干鐵盒a的內部嵌上一個重物b（蓋上鐵盒a的蓋子，避免學生看見內部結構）.實驗過程：如圖3所示，將圓盤豎直放在事先設置好的斜面A處，向學生提問圓盤如何運動，學生會一致認為向下運動，然而當教師松手后學生卻發現圓盤運動到B、C，最后返回靜止在B處;再將圓盤靜止放在B處，發現圓盤停留在B處不動;最后將圓盤靜止放在D處，發現圓盤依次運動到C、B、A，最后還是停留在B處，每次學生的猜想都與實驗現象不一致，從而激發學生認知沖突，激起學生探究其中奧秘的好奇心，最后通過打開鐵盒發現鐵盒無人駕駛的原理，這里鐵盒a中的重物b重力較大，重物b運動到最低處且與鐵盒a重力方向在一條直線上時整個鐵盒重心最低，這時整個鐵盒最穩定，即穩度最好，這是降低重心趨于穩定的結果[4].

穩度理論1：物體在某一方向的穩度與重心高低有關，重心越低越穩定，其實物體的穩度還與支撐面大小有關，支撐面越大物體穩度越好，如一塊磚平放比豎放更穩定，主要是平放時支撐面大，重心低.

1.3 解決問題

本題中要使制作的蠟燭蹺蹺板能夠成功，應使轉軸位置設置在重心處，要使蠟燭蹺蹺板擺動幅度不要因過大而翻轉（即擺動幅度小），這里涉及蠟燭蹺蹺板的穩度問題，在支撐面一定時可以適當降低蠟燭重心，這時可以將轉軸位置設置在重心上方，以降低蠟燭蹺蹺板的重心，這就同高空走鋼絲的新疆維吾爾自治區的阿迪力王子一樣的原理，行走在高空鋼絲上，手上一直拿著較長鐵棍，如圖4所示，他之所以在鋼絲上行走123h，主要是因為較長鐵棍降低他的重心、提高穩度的原因.在本題中也設置選項D，要使蠟燭蹺蹺板擺動幅度小，可將蠟燭兩端的上側面削去一些，以降低重心，因此，切不可將蠟燭兩端的下側面削去一些，這樣蠟燭的重心會稍微升高，蠟燭蹺蹺板的擺動幅度會變大，甚至翻轉.

2 穩度理論在生活中的應用

每年賀新春的春節聯歡晚會可謂家喻戶曉，場面讓人極度震撼，如圖5所示是2019年《百獅報喜賀新春》的舞蹈，眾多演員站在一個寬大底盤的眾多柱子上，在柱子上面能夠輕松表演而不翻倒，主要是整個底盤及柱子的穩度較好，這里涉及穩度理論與規律在生活中的應用.

2.1 降低重心提高穩度在生活中的應用

談到降低重心提高穩度在生活中的應用，學生可能首先想到不倒翁，不倒翁無論如何絆倒都會自動立起來，這主要是因為不倒翁的重心非常低，如圖6所示，當不倒翁發生傾斜時，由于底部弧形變化不大，與接觸面的接觸面積較大，重力作用線始終處在底部弧形支撐面的范圍內，這就是不倒翁永不倒的奧秘[5].這就如同人豎直緊靠墻壁站著，當抬起外側的一條腿時是否還會平穩站著？如同7所示，原來，當抬起外側一條腿時，重心略有升高且重心已經偏離地面對另一只腳的支撐面，在重力作用下導致站不穩且傾倒.

然而學生都見過雜技演員手頂一根很長的竹桿，并且在竹桿最上端有一個不停旋轉的瓷盤，演員在表演時不停地變換姿勢，瓷盤好像被吸在竹竿上不掉下來，這是否與重心越低越穩定相矛盾？如果雜技演員在表演時選用短而粗的竹竿將不會表演成功，這主要是雜技演員在表演時發現竹竿傾斜時，需要依靠手調整支點與重力作用線在同一條直線上，當竹竿發生傾斜時，人手會本能地向竹竿傾斜方向移動，調節支點重新回到重力作用線上，由于長竹竿的轉動慣量大，角加速度小，此時人會有充足的時間調節到原來狀態，而短竹竿的轉動慣量小，角加速度大，人手還沒有反應過來進行調節竹竿已經倒下.

穩度理論2：物體重心越低越穩定，也就是降低重心可以控制物體的平衡程度;物體重心越低越容易控制平穩，越不易翻倒，也就是降低重心可以保持物體的平穩程度，這是穩度理論與規律在生活中的應用之一.

2.2 增大支撐面提高穩度在生活中的應用

談到增大支撐面提高穩度在生活中的應用，如圖5中寬大的底盤，再如臺燈、電風扇下面都有個大底座，汽車起重機停下來吊起重物時往往會將四支腿放下等，這些也是通過增大支撐面提高穩度的實例.

上文談到雜技演員手頂竹竿不倒的原理，你見過是否有人可以手掌（手指）頂鉛筆不倒？因為鉛筆的底面積很小，當鉛筆發生傾斜時，人還沒有足夠的時間調整平衡就可能已經傾倒.為使鉛筆能直立于手掌上，可以借助橡皮等彈性好的物品來增大支撐面，即將鉛筆尖扎入橡皮中心，此時鉛筆與橡皮構成一個整體，

如圖8甲所示，這時只要用手掌托起橡皮就可以使鉛筆直立起來.要使鉛筆直立于手指上，同樣也可以采取降低重心的辦法，取一把小刀并將刀尖插入鉛筆下端靠近筆尖的位置，同時將小刀柄彎向筆尖的下方，如圖8乙所示，此時鉛筆與小刀也構成一個整體，由于小刀相對較重，這樣使得鉛筆與小刀的整體重心降低，其重心可能降低到支撐鉛筆的手指上（或手指附近），這樣的鉛筆可以直立于手指上.

穩度理論3：增大支撐面提高穩度的原因是能夠讓重力作用線處在支撐面的范圍之內，這樣物體穩度較好，如剛才所說的汽車起重機停下來放下四支腿的事例，這是穩度理論與規律在生活中的另一應用.

3 總結歸納

通過以蠟燭蹺蹺板為引導談穩度理論與應用揭秘可以發現，降低重心與增大支撐面可以在某一方向上提高物體的穩度，這里最根本的原因是物體重心降低時重心可能落在支撐面上或支撐面附近，增大支撐面時物體在擺動過程中重力作用線始終處在支撐面的范圍內，這是提高穩度的秘訣，可能還有其它提高穩度的方法，有待今后不斷學習并總結歸納.

參考文獻：

[1]吳麗萍.項目學習下自制簡易密度計的實驗教學——以“刻度是否均勻”為例[J].物理教師，2019，40（06）：32-35.

[2]丁邦宏.再談物體的穩度及其定量描述[J].物理教學，2014，36（01）：42-43.

[3]張瑛，張皓晶，張雄，胡蓉，林靈.雙錐體上坡實驗的改進[J].物理通報，2016（S1）：78-79.

[4]顏國英，張皓晶，鄭原琛，李寶金，張雄.5E教學法在中學物理重心概念教學中的探討[J].物理教師，2018，39（05）：27-29.

[5]許冬保，朱文惠.由一道習題的分析談重心概念的內涵與外延[J].中學物理，2021，39（01）：40-42.

[6]田效軍.利用情境創設激發學生認知沖突的策略——以2019年央視春晚《百獅報喜賀新春》揭秘“穩度”[J].中學物理教學參考，2020，49（04）：24-25.

（收稿日期：2021-08-03）