探究杠桿的平衡條件

劉榮剛

探究杠桿的平衡條件屬于探究物理規(guī)律的實(shí)驗(yàn)。目的是通過(guò)探究杠桿平衡條件，學(xué)習(xí)分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，尋找實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)器材簡(jiǎn)單。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯?，F(xiàn)結(jié)合例題。探究如下。

例 某實(shí)驗(yàn)小組在“探究杠桿的平衡條件”實(shí)驗(yàn)中，所用的實(shí)驗(yàn)器材有杠桿、支架、刻度尺、細(xì)線、彈簧測(cè)力計(jì)、質(zhì)量相同的鉤碼若干。小組的同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了如下的操作和思考。請(qǐng)結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)情景回答下列問(wèn)題。

1.對(duì)于該實(shí)驗(yàn)。請(qǐng)你幫助實(shí)驗(yàn)小組提出一個(gè)明確的、可研究的問(wèn)題。

解析：提出問(wèn)題是探究的前提。一切探究始于疑問(wèn)。本題由于較熟悉?？梢灾苯犹釂?wèn)：杠桿的平衡與哪些因素有關(guān)？或杠桿的平衡條件是什么？

2.請(qǐng)你結(jié)合玩蹺蹺板的生活情景。提出合理的猜想。

解析：從玩蹺蹺板的生活情景中知道，杠桿的平衡并不僅取決于物體輕重。還和物體離支點(diǎn)的遠(yuǎn)近有關(guān)。所以可以提出如下猜想。

猜想1：杠桿平衡時(shí)，動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂。

猜想2：杠桿平衡時(shí)，動(dòng)力+動(dòng)力臂=阻力+阻力臂。

3.在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中。小明遇到下列問(wèn)題。請(qǐng)你協(xié)助他解決。

（1）將杠桿裝在支架上，發(fā)現(xiàn)杠桿右端下沉，此時(shí)應(yīng)將杠桿的平衡螺母向____調(diào)，直到杠桿在水平位置平衡為止。如圖1。

（2）調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡，這樣做的好處是____。這時(shí)杠桿所受重力的力臂為_(kāi)___。

解析：（1）杠桿的平衡調(diào)節(jié)與托盤(pán)天平的調(diào)平方法一樣。平衡螺母要向高的方向調(diào)。杠桿右端下沉，左端高，平衡螺母需向左調(diào)。（2）杠桿在水平位置平衡時(shí)。杠桿所受重力的作用線過(guò)支點(diǎn)。力臂為零。可以消除杠桿所受重力對(duì)杠桿平衡的影響。不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾。另外。杠桿處于水平位置時(shí)。動(dòng)力臂和阻力臂都正好在杠桿上。力的作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離即為動(dòng)力臂和阻力臂。測(cè)量起來(lái)比較方便。

4.小明調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡后。按圖2所示，通過(guò)加鉤碼分別改變F₁、F₂，仍使杠桿在水平位置平衡。并測(cè)出對(duì)應(yīng)的l₁和l₂，記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。得出的杠桿的平衡條件是____。猜想____正確。

解析：把支點(diǎn)左邊鉤碼所受的重力當(dāng)作動(dòng)力F₁，支點(diǎn)右邊鉤碼所受的重力當(dāng)作阻力F₂，量出杠桿平衡時(shí)的動(dòng)力臂l₁和阻力臂l₂，由表1中所列數(shù)據(jù)可以得出杠桿的平衡條件：動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂。猜想1正確。

5.調(diào)節(jié)杠桿平衡后。小華在圖3甲所示的A位置掛上兩個(gè)鉤碼。可在B位置掛上____個(gè)鉤碼，使杠桿在水平位置平衡。她改用彈簧測(cè)力計(jì)在圖3乙所示的B位置斜向下拉，若每個(gè)鉤碼重1N，當(dāng)杠桿在水平位置平衡時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)將____（填“大于”“等于”或“小于”）4N。

解析：設(shè)每個(gè)鉤碼重為G，杠桿每一格的長(zhǎng)度為l，由杠桿的平衡條件可得2G×2l=nG×l，解得n=4，則在杠桿B處應(yīng)掛4個(gè)鉤碼。杠桿才能平衡。改用彈簧測(cè)力計(jì)斜向下拉。阻力的力臂會(huì)變小，則阻力變大，彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)大于4 N。

6.某同學(xué)進(jìn)行正確的實(shí)驗(yàn)操作后。得到的數(shù)據(jù)為F₁=3 N、l₁=4 cm、F₂=4 N和l₂=3 cm。該同學(xué)根據(jù)這些數(shù)據(jù)得出“動(dòng)力+動(dòng)力臂：阻力+阻力臂”的探究結(jié)論。該結(jié)論是____（填“正確”或“錯(cuò)誤”）的，理由是：____。

解析：在實(shí)驗(yàn)中，改變支點(diǎn)兩側(cè)的鉤碼位置和個(gè)數(shù)，一般要做三次實(shí)驗(yàn)。得到三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。才能得出結(jié)論。只進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)而獲得的數(shù)據(jù)具有偶然性，不能反映普遍規(guī)律。同時(shí)，單位不同的兩個(gè)物理量不能直接相加。因此。該結(jié)論是錯(cuò)誤的。

7.杠桿在生活中有很多應(yīng)用。現(xiàn)欲使如圖4所示的靜止的蹺蹺板發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。右端小女孩可采取的做法是____。

解析：使蹺蹺板轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)使右端小女孩的力和力臂的乘積變大。所以應(yīng)增加右端小女孩的力臂，女孩應(yīng)向遠(yuǎn)離支點(diǎn)的方向移動(dòng)。

責(zé)任編輯 程哲