在體驗(yàn)中“消化”杠桿的平衡條件

同學(xué)們，杠桿的平衡條件及應(yīng)用是初中物理教學(xué)的一個(gè)重、難點(diǎn)。如果把“吃”的更透，“消化”的更好?把它和我們切身體驗(yàn)結(jié)合起來，在學(xué)習(xí)中將達(dá)到事半而功倍的效果。我們知道，人體是一個(gè)體現(xiàn)生命存在的有機(jī)體，人們支配自己的身體最直接、最自由，同時(shí)也最習(xí)以為常，當(dāng)然也最容易被人忽視。在不同的條件下，人體又可以被簡(jiǎn)化為一個(gè)個(gè)活動(dòng)的有意義的個(gè)體，賦予他物理的意義，從物理的角度去理性的分析人體結(jié)構(gòu)，其中之一就是將人體的某些結(jié)構(gòu)看成杠桿，讓利用所學(xué)杠桿平衡條件重新認(rèn)識(shí)自己最熟悉的身體，這把所學(xué)理論和生活體驗(yàn)相融合，增加了習(xí)題的情趣化?，F(xiàn)選兩例加以詮釋，以期達(dá)到拋磚引玉的目的。

1 利用杠桿的平衡條件分析人體中的杠桿

例1 人體的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，但最基本的運(yùn)動(dòng)形式是，骨骼在肌肉提供的動(dòng)力作用下繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖1所示是手端起茶杯的情景，其前臂骨骼相當(dāng)于杠桿，肱二頭肌收縮提供動(dòng)力。由圖可以看出，這是一個(gè)( )

A．費(fèi)力、省距離的杠桿。

B．省力、費(fèi)距離的杠桿。

C．既費(fèi)力，也費(fèi)距離的杠桿。

D．既省力，也省距離的杠桿。

針對(duì)本題，首先要讓學(xué)生清晰的領(lǐng)會(huì)題目中提供的信息:人體的各種運(yùn)動(dòng)最基本的呈現(xiàn)形式是在肌肉施加動(dòng)力的條件下繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的杠桿，在此基礎(chǔ)上，適當(dāng)介紹人體共有600多塊肌肉，都是由神經(jīng)控制，分別負(fù)責(zé)各部分的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)你踮腳、抬腿、彎腰、伸臂、點(diǎn)頭、做俯臥撐等動(dòng)作時(shí)，你就用到了身上的各種各樣的杠桿。然后我和大家伸出各自的胳膊，共同體驗(yàn)前臂上的杠桿，并讓大家結(jié)合圖1介紹這個(gè)杠桿的結(jié)構(gòu): 手、手腕、尺骨和橈骨(前臂骨骼)看作一個(gè)整體，相當(dāng)于一根杠桿，肘關(guān)節(jié)相當(dāng)于支點(diǎn)。最后要求大家根據(jù)自己的理解畫出這個(gè)杠桿的模型并作出他的力臂，如圖2所示。

根據(jù)杠桿平衡的條件，很容易得出F1＞F2，即選擇A項(xiàng)。

為了加深對(duì)這個(gè)問題的理解，可以再進(jìn)一步讓學(xué)生思考當(dāng)手沿著圖1所示虛線方向端起茶杯的過程中，動(dòng)力F1是如何變化的?在學(xué)生思考和討論的過程中，教師可提醒學(xué)生不妨再畫出前臂上移到另一個(gè)位置時(shí)的力臂圖3所示:把圖2和圖3作一下對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn): l′2＜ l2，l′1 ＞l1，而F2不變，由杠桿的平衡條件當(dāng)然可知F′1變小。這時(shí)讓學(xué)生自己拿起一摞書本演示端起茶杯的過程，體驗(yàn)施加力的大小。這樣，學(xué)生在“做”中加深了對(duì)知識(shí)的理解，達(dá)到了此時(shí)無聲勝有聲的境界。

2 利用杠桿的平衡條件計(jì)算人體中的杠桿

例2 人在踮腳時(shí)主要靠腓腸肌收縮，如圖4所示。若某人的重力為500N，MO=2NO，則雙腳同時(shí)踮起時(shí)，每只腳的腓腸肌的作用力是_______。

師：我們解決這個(gè)問題的思路是怎樣的?

(因?yàn)橛辛饲懊娴闹R(shí)做鋪墊，多數(shù)學(xué)生能想到用杠桿的平衡條件去解答)

生：我想用杠桿的平衡條件去解決。

師：既然用到杠桿的平衡條件，那么這里的杠桿由哪幾部分構(gòu)成? 

生：腳趾、足弓、骨骼看作一個(gè)整體，視為一個(gè)杠桿，其中腳趾是支點(diǎn)。

師：大家來共同體驗(yàn)一下這個(gè)杠桿。

生：起立，踮腳跟體驗(yàn)。

師：大家能否根據(jù)自己的體驗(yàn)畫出這個(gè)杠桿的模型?

生：學(xué)生畫杠桿模型如圖5。

師：寫出你們的解題過程。

生：在畫出杠桿的力臂之后解答過程如下：

師：125N＜250N ，比較數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)：一只腳的腓腸肌只要施加一個(gè)很小的力，就可以支撐人體一半的重力。請(qǐng)思考一下，在實(shí)際生活中對(duì)于不同體重的人在運(yùn)動(dòng)中各有何利弊? 

生：體型適中的人在運(yùn)動(dòng)中活動(dòng)自如就是因?yàn)樗碾枘c肌承受的力較小的緣故。

生：肥胖癥患者行動(dòng)遲緩就是因?yàn)樗邗谄鹉_的過程中腓腸肌承受的力較大的緣故。……

師：可見，人體在運(yùn)動(dòng)過程中也離不開杠桿的平衡原理.另外，在上題中我們?nèi)〉氖? MO=2NO，實(shí)際上MO＞2NO，由此我們還可以發(fā)現(xiàn):在其它條件相同的情況下，一個(gè)人的腳越長(zhǎng)，相應(yīng)的他的腳部的動(dòng)力臂越長(zhǎng)，阻力臂越短，則用力越小，跑起來也就會(huì)越快。

老師作為新課程的研究者、開發(fā)者，盡可能在習(xí)題教學(xué)中精選一些與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系密切的例題，一方面引導(dǎo)同學(xué)參與分析解題過程，培養(yǎng)其思考問題的方式;另一方面要善于挖掘題目中的興奮點(diǎn)，在得出答案之后，要讓同學(xué)結(jié)合實(shí)際體驗(yàn)這個(gè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，以及在現(xiàn)實(shí)生活中的作用，使它們既看得見，摸得著，而不再是一個(gè)空洞的數(shù)據(jù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。