“探究杠桿的平衡條件”實驗改進

“探究杠桿的平衡條件”是課程標準規定的學生必做探究類實驗之一。在實際教學過程中，我發現教材中的實驗方案會對學生的學習造成諸多困擾，因此我對其進行了改進。

一、教材實驗方案及缺點

通過查閱不同版本的物理教材，包括滬粵版、人教版和北師大版，我發現教材中關于“探究杠桿的平衡條件”實驗方案都是相同的，如圖1所示。

教材中的實驗方案為：首先調節杠桿兩端的螺母，使杠桿處于水平平衡狀態，接著在杠桿兩邊分別掛上數量不同的鉤碼，用F1、F2表示鉤碼的拉力，用L1、L2表示鉤碼離開O點的距離，再改變鉤碼數量和它們離開O點的距離，使杠桿處于水平平衡狀態，記錄各次實驗所得的數據。

在這個實驗方案中，杠桿始終保持水平平衡狀態，力始終在豎直方向，其優點是方便測量力臂，便于學生直接在杠桿上讀出力臂的大小，但存在以下缺點。

1.學生會誤以為只有水平位置才是平衡位置。

當教材裝置的杠桿不在水平位置時，學生很難測量出力臂。因此，在每次做實驗時，我都會讓學生確保杠桿處于水平平衡狀態。

實際上，杠桿平衡并不一定需要在水平位置，杠桿平衡的條件可以在杠桿的任意位置實現。在實驗過程中總是使杠桿保持水平平衡，可能會讓學生誤認為杠桿只有在水平位置時才能實現平衡。

2.學生容易誤以為力臂就是支點到力的作用點的距離。

每次實驗時，學生都會讓杠桿處于水平平衡狀態，力的方向始終處于豎直方向，這樣力臂剛好等于支點到力的作用點的距離。由此，很多學生誤以為力臂就是支點到力的作用點的距離。

杠桿的水平平衡不具有普遍性，在實際情況中，杠桿能在非水平位置實現平衡，此時力的方向可能與杠桿不垂直，力臂也不一定在杠桿上。實驗中始終使杠桿保持水平平衡狀態，不利于學生認識力臂的本質。

3.學生憑感覺判斷杠桿是否水平平衡，而“感覺”不能作為科學依據。

學生在進行杠桿實驗時，僅憑直觀感受去判斷杠桿是否達到水平平衡狀態，雖然方法簡單直接，但這是一種較為主觀的做法。科學探索講究的是客觀事實與精確測量，而非個人的“感覺”。

二、創新實驗方案及裝置

我在教學過程中發現，只要對現有器材稍加改造，就可以避免上述困擾。具體而言，利用一小段線槽、一把刻度尺（也可在線槽上自畫刻度）、三根線和一個鉤碼即可完成改造。

1.在線槽上貼上刻度尺，并在中間打孔，如圖2所示。

2.微調刻度尺長度，使其剛好水平平衡，水平位置利用自制水平儀判定，如圖3所示。

3.將原杠桿放在剛做好的刻度尺前，如圖4所示。

三、改進后的方案優點

1.水平平衡有依據。

改進后的實驗方案使用水平儀來檢測杠桿是否完全水平，從而更科學地驗證平衡狀態。這樣做不僅能增強實驗的嚴謹性，還能培養學生以科學的態度解決問題的能力。

2.杠桿不限于水平位置平衡，在各個位置平衡時都可以讀出力臂。

如圖5所示，杠桿在非水平位置平衡，利用一根線可構造出直角三角形，從自制刻度尺上可直接讀出力臂，將線向上拉即可讀出右邊的力臂。這樣既能加強學生對平衡位置的理解，又能深化學生對力臂的認識。

3.力不限于豎直方向，各個方向的力都可以讀出力臂。

如圖6所示，無論杠桿在哪個位置平衡，無論力在哪個方向，利用一根線都可構造出直角三角形，從自制刻度尺上即可讀出力臂。

4.學生借助裝置可深入理解知識。

利用改進方案中的裝置授課，有助于學生深入理解力臂和平衡位置，深化對杠桿平衡條件的認識。學生不會誤以為支點到力的作用點的距離就是力臂，也不會認為只有水平平衡才是平衡位置。而且在改進的實驗裝置中，杠桿可以在各個方向平衡，實驗的結論更具科學性和普遍性。

四、檢驗應用

這是2019年安徽省中考題目：

如圖7所示，一輕桿AB懸于O點，其左端掛一重物，右端施加一個與水平方向成30°的力F，此時輕桿水平平衡。若重物質量m＝3 kg，BO＝3AO，g取10 N/kg，則力F的大小為N。

我擔任學校八年級四個班級的物理教師，在其中兩個班用教材傳統實驗方案開展教學，在另外兩個班用自制的創新實驗方案開展教學。同時，我將此題添加至課堂小測中，以檢驗四個班級的教學效果。

結果顯示，使用教材傳統實驗方案進行學習的兩個班級，總共只有5名同學給出了正確答案，大多數同學都認為答案是10 N。究其原因，很多同學誤將OB當作力F的力臂。

相比之下，采用我自制的創新實驗方案進行學習的另外兩個班級，總共有29名學生答對了題目，正確率是前者的近6倍。這說明，創新實驗方案能顯著提升教學效果，幫助學生更好地理解和掌握知識點。

五、結語

本改進方案中所用裝置制作簡單，操作方便，而且經過檢驗發現對學生的學習有很大幫助，比如經過力臂的建構過程，學生可以更好地理解力臂的本質，這有效地突破了教學難點；改進裝置中的杠桿不限于水平平衡位置，力不限于豎直方向，使結論更具科學性和普遍性。

好的教育應該是面向未來的教育，“創新”是時代的主題。我們在學生心中撒下創新的種子，相信一定會生根、發芽、開花。

[此論文為課題“‘雙減’背景下初中物理課外創新實驗研究”（課題批準號為：mjy2022081）的研究成果。]

（特約編輯" 藍泳茵）