對“探究杠桿平衡條件”實驗的改進

周懷明

(南京市雙閘中學,江蘇南京 210019)

九年義務教育教科書蘇科版《物理》九年級上冊第11章第1節(jié)中,活動11.2“探究杠桿的平衡條件”采用了如下的實驗裝置圖和實驗方法:

圖1

如圖1所示,在杠桿的左邊掛上一定數(shù)量的鉤碼,在右邊用彈簧測力計豎直向下拉,當杠桿處于靜止狀態(tài)時,我們就說杠桿處于平衡狀態(tài).設彈簧測力計對杠桿豎直向下的拉力F1是動力,鉤碼對杠桿的拉力 F2是阻力.分別研究3種杠桿在水平位置平衡的情況,并將結(jié)果記入表格中(各測定一組數(shù)據(jù)).

1 實驗中存在的問題

以該教材實驗器材和方法進行實驗時,在實驗過程中會出現(xiàn)如下一些問題:

1.1 實驗測量結(jié)果誤差大

教材的實驗中涉及到彈簧測力計的使用,并且是豎直向下測量力的大小.學生在九年義務教育教科書蘇科版《物理》八年級下冊第8章第1節(jié)信息快遞中,已經(jīng)學習了彈簧測力計的使用前調(diào)節(jié):將彈簧測力計按測量時所需的位置放好,檢查指針是否在“0”刻度線處,若不在,校正“0”點.

實驗中要測豎直向下的拉力,根據(jù)該教材所講用法要將彈簧測力計拉環(huán)向下豎直放好,然后校正“0”點.實驗過程中,學生會讀出彈簧測力計的示數(shù)記為彈簧測力計對杠桿豎直向下的拉力F1.實驗中選用每個重力為0.5 N的鉤碼,J2103圓筒測力計.根據(jù)教材實驗步驟進行實驗,能得到表1的實驗數(shù)據(jù):

表1

根據(jù)實驗的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn) F1L1≠F2L2,并且兩者差別較大,無法得出杠桿的平衡條件:F1L1=F2L2.

1.2 杠桿平衡不易判斷

實驗前要求調(diào)節(jié)杠桿在水平方向平衡,在實驗過程中也要求使杠桿再次在水平方向平衡時測量實驗的數(shù)據(jù),但是實驗過程中,很難判斷每次杠桿是否與前面一樣是在水平位置平衡.實驗前和實驗過程中杠桿是否在水平方向平衡,只能通過感覺來判斷,這種判斷往往給測量結(jié)果帶來較大的誤差.

1.3 杠桿受力點移動難,容易脫落

實驗中為了容易在杠桿上掛鉤碼和彈簧測力計,在杠桿兩面的中間部分別開了一條凹槽,用對折的細鋼絲卡在兩邊的凹槽中,在細鋼絲上掛鉤碼和彈簧測力計.實驗過程要改變杠桿的受力點,就要移動細鋼絲的位置,細鋼絲和杠桿之間的阻力較大,不容易移動,并且當所掛鉤碼較多或彈簧測力計的拉力較大時,細鋼絲容易從杠桿上脫落,影響操作,鉤碼脫落也存在一定的安全隱患.

2 對問題1.1的分析

根據(jù)實驗的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn) F1L1≠F2L2,并且 F1L1＜F2L2.教材中設彈簧測力計對杠桿豎直向下的拉力F1是動力,教材中又要求用彈簧測力計去測量這個力的大小.在實驗過程中,學生根據(jù)已學過的知識會很自然地認為彈簧測力計的示數(shù)就等于彈簧測力計對杠桿向下的拉力.造成實驗誤差大,不能得出正確結(jié)論的原因也正在于此:實驗中彈簧測力計的示數(shù)并不等于彈簧測力計對杠桿向下的拉力,而要小于彈簧測力計對杠桿向下的拉力.學生在使用彈簧測力計測量豎直向下的拉力時,會按教材要求將彈簧測力計按測量時所需位置放好、?！?”后再使用.當彈簧測力計倒掛在杠桿上時,彈簧測力計自身對杠桿就有一個向下的拉力,這個拉力施加給杠桿的同時卻不能在彈簧測力計示數(shù)上反映出來,所以彈簧測力計的示數(shù)要小于彈簧測力計對杠桿實際向下的拉力,導致實驗中測出的F1偏小,使得F1L1≠F2L2.

3 對實驗的改進

3.1 對問題1.1的改進

對問題1.1的改進,有兩種方案.

方案1:利用鉤碼完成實驗

圖2

選用若干個重力相同的鉤碼,測出每一個鉤碼的重力,用鉤碼代替彈簧測力計對杠桿施加拉力.如圖2,實驗中將鉤碼豎直掛在杠桿支點的兩側(cè),杠桿受到的力F1和F2大小就等于相對應的所掛鉤碼的總重力大小,通過改變所掛鉤碼的個數(shù)可以改變鉤碼對杠桿向下的拉力,即可以改變杠桿受到的力 F1和 F2,F1和 F2的力臂 L1和 L2可以通過改變鉤碼所掛的位置來改變.

實驗中選用鉤碼做實驗,不選用彈簧測力計,避免了彈簧測力計豎直倒放時,各部分重力對實驗測量結(jié)果的影響,杠桿所受拉力的大小直接通過計算鉤碼的總重力大小得到,實驗器材簡單,操作方便,并且實驗誤差小,能容易準確的得出杠桿的平衡條件.

方案2:改彈簧測力計豎直下拉為豎直上拉

實驗中仍然用彈簧測力計來測量杠桿所受拉力F1的大小,與教材相比,改變了彈簧測力計拉的方向,將彈簧測力計豎直向下拉改為豎直向上拉.如圖3所示,彈簧測力計與鉤碼放在杠桿支點的同一側(cè),鉤碼對杠桿的拉力豎直向下,彈簧測力計此時豎直向上拉杠桿,使杠桿平衡.這樣,彈簧測力計在豎直方向?！?”后,測量過程中,彈簧測力計示數(shù)大小就是彈簧測力計對杠桿的拉力大小,避免了彈簧測力計自身重力對測量結(jié)果的影響.

圖3

3.2 對問題1.2的改進

在鐵架臺上杠桿支點的上方位置固定一水平的細鐵絲,鐵絲靠近杠桿較小的距離,每次調(diào)節(jié)都使杠桿與鐵絲平行,這樣就能保證杠桿每次在同樣位置平衡.當杠桿不在水平位置平衡時,杠桿與鐵絲就不能平行,并且很容易從兩者位置上觀察出來,也容易得出使之平衡的操作.

3.3 對問題1.3的改進

去掉細鋼絲,用細尼龍線做兩個能容易套在杠桿上的相同大小的圈,將線圈套在杠桿上,把鉤碼或彈簧測力計掛在線圈上,這樣線圈在杠桿上容易移動、便于操作,且線圈不會從杠桿上脫落.

通過上述方法對實驗改進后,實驗可操作性強,實驗誤差小,能準確得出杠桿的平衡條件,同時避免了彈簧測力計特殊使用時給學生帶來的困惑,避免實驗失敗對學生學習興趣的影響.

1 劉炳升,李容.義務教育課程標準實驗教科書(蘇科版)物理 9年級上冊.南京:江蘇科學技術(shù)出版社,2007.

2 劉炳升,李容.義務教育課程標準實驗教科書(蘇科版)物理 8年級下冊.南京:江蘇科學技術(shù)出版社,2007.