以蠟燭蹺蹺板為引導(dǎo)談穩(wěn)度理論與應(yīng)用揭秘

摘 要：挖掘身邊最平常的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是課程標(biāo)準(zhǔn)中提倡的關(guān)于提升核心素養(yǎng)最基本的途徑之一，教師引領(lǐng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中獲得最不平凡的發(fā)現(xiàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)最基本的思想，與提升核心素養(yǎng)的途徑一脈相承.本文以2021年江蘇省揚(yáng)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(dǎo)，揭示重心奧秘，進(jìn)而談穩(wěn)度理論及在生活中的基本應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：蠟燭蹺蹺板;穩(wěn)度理論;降低重心

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）24-0058-03

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

挖掘身邊最平常的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是課程標(biāo)準(zhǔn)中提倡關(guān)于提升核心素養(yǎng)最基本的途徑之一，教師引領(lǐng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中獲得最不平凡的發(fā)現(xiàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)最基本的思想，物理實(shí)驗(yàn)不僅是建立概念與規(guī)律、獲得知識(shí)的基礎(chǔ)，又是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦的主要途徑，更是提升學(xué)生核心素養(yǎng)的主要手段之一.在物理教學(xué)中離開(kāi)物理實(shí)驗(yàn)，由此形成的一系列理論知識(shí)將只是空中樓閣，更是無(wú)源之水、無(wú)本之木，失去物理教學(xué)的本質(zhì).

蘇派物理代表學(xué)者，南師大物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院劉炳升教授一直強(qiáng)調(diào)“在物理教學(xué)中不僅要做實(shí)驗(yàn)、做好實(shí)驗(yàn)，而且要加大實(shí)驗(yàn)比例，全面開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，用物理實(shí)驗(yàn)將學(xué)生從繁重的物理學(xué)習(xí)中解放出來(lái)，進(jìn)而關(guān)注學(xué)生的好奇心與求知欲”[1].生活中奇妙的物理現(xiàn)象很多，請(qǐng)不要視而不見(jiàn)，只要?jiǎng)邮謪⑴c實(shí)驗(yàn)都有可能發(fā)現(xiàn)其中的奧秘.如2021年江蘇省揚(yáng)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(guān)于杠桿知識(shí)在生活中的應(yīng)用，直接源于蘇科版物理九年級(jí)上冊(cè)P8中www“小制作：蠟燭蹺蹺板”，這是杠桿知識(shí)、重心知識(shí)等在蠟燭蹺蹺板中的應(yīng)用，本文以蠟燭蹺蹺板為引導(dǎo)，揭示重心奧秘，進(jìn)而談對(duì)穩(wěn)度理論與規(guī)律的揭秘及在生活中的基本應(yīng)用.

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

A.選用越粗的蠟燭效果越好

B.轉(zhuǎn)軸位置離蠟燭重心越遠(yuǎn)越好

C.為防止蠟燭擺動(dòng)過(guò)大而翻轉(zhuǎn)，可使轉(zhuǎn)軸位置處于蠟燭重心上方

D.為防止蠟燭擺動(dòng)過(guò)大而翻轉(zhuǎn)，可將蠟燭兩端的下側(cè)面削去一些

著名物理學(xué)家、《物理教師》雜志創(chuàng)始人朱正元教授一直強(qiáng)調(diào)“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”，這就是鼓勵(lì)教師用身邊最簡(jiǎn)單的器材做實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)中獲得物理知識(shí)，得出物理規(guī)律.然而目前物理教學(xué)的實(shí)際現(xiàn)狀是物理實(shí)驗(yàn)逐漸被口頭語(yǔ)言、PPT、粉筆、習(xí)題等形式代替，實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來(lái)越得不到重視，這與課程標(biāo)準(zhǔn)所倡導(dǎo)的通過(guò)自主探究的教學(xué)方式，讓學(xué)生在科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中學(xué)習(xí)研究物理問(wèn)題的方法，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)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(yáng)州市中考物理試題中將小實(shí)驗(yàn)，特別是教材中的小實(shí)驗(yàn)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(xiàn)，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的基本途徑之一.這道蘇科版教材九年級(jí)上冊(cè)P8中www“小制作：蠟燭蹺蹺板”原本是較為簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，是學(xué)生原本都參與制作過(guò)的蠟燭蹺蹺板，考查知識(shí)點(diǎn)簡(jiǎn)單，這是命題者的初心，然而通過(guò)今年參與中考閱卷，筆者發(fā)現(xiàn)，這道簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)讓87.5%的學(xué)生失去分?jǐn)?shù)，學(xué)生對(duì)A、C、D三個(gè)選項(xiàng)中出現(xiàn)的概念、知識(shí)、規(guī)律等存在迷思現(xiàn)象，導(dǎo)致學(xué)生不能正確把握，這是出現(xiàn)錯(cuò)誤的根本原因，如果當(dāng)時(shí)教師能夠引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行蠟燭蹺蹺板的小制作，分析實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)還原及理論支撐

這是一道源于課本中的簡(jiǎn)單小制作實(shí)驗(yàn)，如果學(xué)生能夠親自參與實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(xiàng)，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力、解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的本領(lǐng)、提升核心素養(yǎng).

1.1 實(shí)驗(yàn)還原

如圖2所示是制作蠟燭蹺蹺板的基本過(guò)程，這里可選用一只普通蠟燭、一枚大號(hào)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(guò)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(duì)蠟燭兩端分別進(jìn)行適當(dāng)削剪（如圖2乙所示）;同時(shí)點(diǎn)燃蠟燭兩端燭芯，由于兩端燃燒速度不可能完全相同，導(dǎo)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(shí)驗(yàn)中左端燃燒速度快（如圖2丙所示）;這時(shí)蠟燭右端下沉，由于火焰向上，這時(shí)又出現(xiàn)右端燃燒速度快，導(dǎo)致左端下沉（如圖2丁所示）.如此往復(fù)，形成蠟燭蹺蹺板.

注意：由于涉及到蠟燭燃燒，請(qǐng)注意安全.

1.2 理論支撐

本實(shí)驗(yàn)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(shí)踐應(yīng)用之一，要使制作出的蠟燭蹺蹺板效果好，蠟燭擺動(dòng)幅度小，取決于縫衣針垂直穿過(guò)蠟燭左右兩端的力與力臂的乘積（即力矩）大小，同時(shí)要盡量降低蠟燭重心，因?yàn)橄灎T重心越低擺動(dòng)幅度越小，這就如同卡車(chē)在運(yùn)送重力不同貨物時(shí)，往往需要將重的物體放在下方，以降低卡車(chē)上貨物的重心，提高其運(yùn)行的穩(wěn)定性.

在本實(shí)驗(yàn)中學(xué)生最易判斷出選項(xiàng)B是錯(cuò)誤的，試想如果轉(zhuǎn)軸位置離蠟燭重心遠(yuǎn)的話，剛開(kāi)始蠟燭就會(huì)處于豎直方向（不會(huì)保持水平方向），同時(shí)點(diǎn)燃蠟燭，下方蠟燭燃燒將永遠(yuǎn)比上方蠟燭燃燒快，這時(shí)不會(huì)出現(xiàn)蠟燭擺動(dòng)現(xiàn)象，且蠟燭會(huì)很快燃燒完;對(duì)于選項(xiàng)A認(rèn)為選用較粗的蠟燭效果好，也是不正確的，當(dāng)左右兩端蠟燭燃燒滴下蠟油時(shí)，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(dòng)幅度非常小（幾乎不擺動(dòng)），這就好比現(xiàn)實(shí)中的蹺蹺板，如果在蹺蹺板上人掉下一串鑰匙，對(duì)蹺蹺板轉(zhuǎn)動(dòng)效果也幾乎沒(méi)有影響，因此，選用細(xì)的蠟燭效果好.

本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)討論選項(xiàng)C，進(jìn)而解決選項(xiàng)D，這里的選項(xiàng)C、D都是涉及蠟燭重心高低對(duì)蠟燭蹺蹺板擺動(dòng)效果的影響因素.為此，教師需要揭秘重心及重心高低對(duì)平衡程度的影響.

重心是物體所受重力的等效作用點(diǎn)，是力的三要素之一，本題中為防止蠟燭蹺蹺板擺動(dòng)幅度過(guò)大而翻轉(zhuǎn)，即提高蠟燭的穩(wěn)定程度（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“穩(wěn)度”），物體在某一方向的穩(wěn)度與物體重心高低存在什么關(guān)系[2]，在高中《物理（必修1）》中通過(guò)情境思考雙錐體在斜面上能夠自動(dòng)上滾的現(xiàn)象，使學(xué)生能夠進(jìn)一步了解物體總是通過(guò)降低重心，趨于最穩(wěn)定的規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)[3].為此，下面筆者通過(guò)一個(gè)“無(wú)人駕駛的圓盤(pán)”談重心越低越趨于穩(wěn)定.器材：在餅干鐵盒a的內(nèi)部嵌上一個(gè)重物b（蓋上鐵盒a的蓋子，避免學(xué)生看見(jiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)）.實(shí)驗(yàn)過(guò)程：如圖3所示，將圓盤(pán)豎直放在事先設(shè)置好的斜面A處，向?qū)W生提問(wèn)圓盤(pán)如何運(yùn)動(dòng)，學(xué)生會(huì)一致認(rèn)為向下運(yùn)動(dòng)，然而當(dāng)教師松手后學(xué)生卻發(fā)現(xiàn)圓盤(pán)運(yùn)動(dòng)到B、C，最后返回靜止在B處;再將圓盤(pán)靜止放在B處，發(fā)現(xiàn)圓盤(pán)停留在B處不動(dòng);最后將圓盤(pán)靜止放在D處，發(fā)現(xiàn)圓盤(pán)依次運(yùn)動(dòng)到C、B、A，最后還是停留在B處，每次學(xué)生的猜想都與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不一致，從而激發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，激起學(xué)生探究其中奧秘的好奇心，最后通過(guò)打開(kāi)鐵盒發(fā)現(xiàn)鐵盒無(wú)人駕駛的原理，這里鐵盒a中的重物b重力較大，重物b運(yùn)動(dòng)到最低處且與鐵盒a重力方向在一條直線上時(shí)整個(gè)鐵盒重心最低，這時(shí)整個(gè)鐵盒最穩(wěn)定，即穩(wěn)度最好，這是降低重心趨于穩(wěn)定的結(jié)果[4].

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

1.3 解決問(wèn)題

本題中要使制作的蠟燭蹺蹺板能夠成功，應(yīng)使轉(zhuǎn)軸位置設(shè)置在重心處，要使蠟燭蹺蹺板擺動(dòng)幅度不要因過(guò)大而翻轉(zhuǎn)（即擺動(dòng)幅度小），這里涉及蠟燭蹺蹺板的穩(wěn)度問(wèn)題，在支撐面一定時(shí)可以適當(dāng)降低蠟燭重心，這時(shí)可以將轉(zhuǎn)軸位置設(shè)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(qū)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(zhǎng)鐵棍，如圖4所示，他之所以在鋼絲上行走123h，主要是因?yàn)檩^長(zhǎng)鐵棍降低他的重心、提高穩(wěn)度的原因.在本題中也設(shè)置選項(xiàng)D，要使蠟燭蹺蹺板擺動(dòng)幅度小，可將蠟燭兩端的上側(cè)面削去一些，以降低重心，因此，切不可將蠟燭兩端的下側(cè)面削去一些，這樣蠟燭的重心會(huì)稍微升高，蠟燭蹺蹺板的擺動(dòng)幅度會(huì)變大，甚至翻轉(zhuǎn).

2 穩(wěn)度理論在生活中的應(yīng)用

每年賀新春的春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)可謂家喻戶曉，場(chǎng)面讓人極度震撼，如圖5所示是2019年《百獅報(bào)喜賀新春》的舞蹈，眾多演員站在一個(gè)寬大底盤(pán)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(gè)底盤(pán)及柱子的穩(wěn)度較好，這里涉及穩(wěn)度理論與規(guī)律在生活中的應(yīng)用.

2.1 降低重心提高穩(wěn)度在生活中的應(yīng)用

談到降低重心提高穩(wěn)度在生活中的應(yīng)用，學(xué)生可能首先想到不倒翁，不倒翁無(wú)論如何絆倒都會(huì)自動(dòng)立起來(lái)，這主要是因?yàn)椴坏刮痰闹匦姆浅５停鐖D6所示，當(dāng)不倒翁發(fā)生傾斜時(shí)，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(nèi)，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(dāng)抬起外側(cè)的一條腿時(shí)是否還會(huì)平穩(wěn)站著？如同7所示，原來(lái)，當(dāng)抬起外側(cè)一條腿時(shí)，重心略有升高且重心已經(jīng)偏離地面對(duì)另一只腳的支撐面，在重力作用下導(dǎo)致站不穩(wěn)且傾倒.

然而學(xué)生都見(jiàn)過(guò)雜技演員手頂一根很長(zhǎng)的竹桿，并且在竹桿最上端有一個(gè)不停旋轉(zhuǎn)的瓷盤(pán)，演員在表演時(shí)不停地變換姿勢(shì)，瓷盤(pán)好像被吸在竹竿上不掉下來(lái)，這是否與重心越低越穩(wěn)定相矛盾？如果雜技演員在表演時(shí)選用短而粗的竹竿將不會(huì)表演成功，這主要是雜技演員在表演時(shí)發(fā)現(xiàn)竹竿傾斜時(shí)，需要依靠手調(diào)整支點(diǎn)與重力作用線在同一條直線上，當(dāng)竹竿發(fā)生傾斜時(shí)，人手會(huì)本能地向竹竿傾斜方向移動(dòng)，調(diào)節(jié)支點(diǎn)重新回到重力作用線上，由于長(zhǎng)竹竿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，角加速度小，此時(shí)人會(huì)有充足的時(shí)間調(diào)節(jié)到原來(lái)狀態(tài)，而短竹竿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，角加速度大，人手還沒(méi)有反應(yīng)過(guò)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)竹竿已經(jīng)倒下.

穩(wěn)度理論2：物體重心越低越穩(wěn)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(wěn)，越不易翻倒，也就是降低重心可以保持物體的平穩(wěn)程度，這是穩(wěn)度理論與規(guī)律在生活中的應(yīng)用之一.

2.2 增大支撐面提高穩(wěn)度在生活中的應(yīng)用

談到增大支撐面提高穩(wěn)度在生活中的應(yīng)用，如圖5中寬大的底盤(pán)，再如臺(tái)燈、電風(fēng)扇下面都有個(gè)大底座，汽車(chē)起重機(jī)停下來(lái)吊起重物時(shí)往往會(huì)將四支腿放下等，這些也是通過(guò)增大支撐面提高穩(wěn)度的實(shí)例.

上文談到雜技演員手頂竹竿不倒的原理，你見(jiàn)過(guò)是否有人可以手掌（手指）頂鉛筆不倒？因?yàn)殂U筆的底面積很小，當(dāng)鉛筆發(fā)生傾斜時(shí)，人還沒(méi)有足夠的時(shí)間調(diào)整平衡就可能已經(jīng)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(lái)增大支撐面，即將鉛筆尖扎入橡皮中心，此時(shí)鉛筆與橡皮構(gòu)成一個(gè)整體，

如圖8甲所示，這時(shí)只要用手掌托起橡皮就可以使鉛筆直立起來(lái).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(shí)將小刀柄彎向筆尖的下方，如圖8乙所示，此時(shí)鉛筆與小刀也構(gòu)成一個(gè)整體，由于小刀相對(duì)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(wěn)度理論3：增大支撐面提高穩(wěn)度的原因是能夠讓重力作用線處在支撐面的范圍之內(nèi)，這樣物體穩(wěn)度較好，如剛才所說(shuō)的汽車(chē)起重機(jī)停下來(lái)放下四支腿的事例，這是穩(wěn)度理論與規(guī)律在生活中的另一應(yīng)用.

3 總結(jié)歸納

通過(guò)以蠟燭蹺蹺板為引導(dǎo)談穩(wěn)度理論與應(yīng)用揭秘可以發(fā)現(xiàn)，降低重心與增大支撐面可以在某一方向上提高物體的穩(wěn)度，這里最根本的原因是物體重心降低時(shí)重心可能落在支撐面上或支撐面附近，增大支撐面時(shí)物體在擺動(dòng)過(guò)程中重力作用線始終處在支撐面的范圍內(nèi)，這是提高穩(wěn)度的秘訣，可能還有其它提高穩(wěn)度的方法，有待今后不斷學(xué)習(xí)并總結(jié)歸納.

參考文獻(xiàn)：

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（收稿日期：2021-08-03）