初中科學(xué)力臂概念的建立

游天下

[摘? ?要]杠桿是生產(chǎn)和生活中普遍使用的一種簡單機(jī)械，充分地認(rèn)識杠桿的五要素對理解杠桿的工作原理、運(yùn)用杠桿工作原理解決問題至關(guān)重要。其中力臂概念的建立是初中科學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)。在建立力臂概念的過程中，最首要的是要尊重學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，運(yùn)用最簡單的實(shí)驗(yàn)來引導(dǎo)學(xué)生。

[關(guān)鍵詞]力臂概念;初中科學(xué);杠桿

[中圖分類號]? ? G633.98? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）05-0089-02

力臂概念的建立是杠桿教學(xué)中的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。它是理解杠桿工作原理的基礎(chǔ)，也是認(rèn)識各種類型杠桿工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)，更是今后高中力矩學(xué)習(xí)的起步。要有效地幫助學(xué)生建立力臂概念，需要我們明確它在教材中的呈現(xiàn)方式，以及在整個力學(xué)學(xué)習(xí)中的地位與作用。本文結(jié)合一些教學(xué)課例談?wù)劰P者的一些看法。

一、解讀杠桿與力臂

杠桿雖是生產(chǎn)、生活中的簡單機(jī)械，但對初中生來說卻是一種較為復(fù)雜的機(jī)械。教材在介紹杠桿時選取了學(xué)生最易理解的一種狀態(tài)來呈現(xiàn)，即杠桿的水平狀態(tài)。這樣，簡化了對力臂的認(rèn)識，簡化了對轉(zhuǎn)動效果的理解，在一定程度上順應(yīng)了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

對于杠桿的五要素，無論是華師大版教材還是浙教版教材都用插圖配合文字來進(jìn)行說明。對于動力、支點(diǎn)，學(xué)生理解上沒有太多的障礙，他們也能清楚地從中獲知什么是力臂，力臂該怎么畫。但如果按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，僅僅以告知的方式來引出力臂概念，是無法真正起到有效建立概念的效果的。建立概念需要一個過程，所以從這個角度來說，在處理力臂概念時，在基于教材的同時大有文章可作。從充分地認(rèn)識力臂到掌握杠桿的工作原理都需要給學(xué)生一個循序漸進(jìn)認(rèn)識概念的過程。按照目前的考試能力與要求，學(xué)生雖不熟悉“杠桿”這一簡單機(jī)械在生產(chǎn)中的應(yīng)用，但其在生活中的應(yīng)用極其廣泛，學(xué)生也較為熟悉，教師可以此為切入點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)教學(xué)引導(dǎo)。歷年中考杠桿試題的物理背景很多都來源于生活中的器械，如2018年寧波市中考題中的“自動排水裝置”、2018年臺州市中考題中的“自動開合電水壺”等，這對學(xué)生分析與應(yīng)用杠桿的工作原理有不小的要求。

轉(zhuǎn)動效果是力作用效果的一種。在這之前，學(xué)生已對力的作用效果有一定的認(rèn)識，知道力的三要素會影響力的作用效果?，F(xiàn)階段的學(xué)生會認(rèn)為杠桿的轉(zhuǎn)動效果也與力的三要素有關(guān)，也會有一些錯誤的認(rèn)識。例如，力的大小、方向相同，作用點(diǎn)不同，所引起的轉(zhuǎn)動效果一定不同，杠桿一定不能平衡。先前對力的認(rèn)知，能促進(jìn)新知的形成，但也能對新知的學(xué)習(xí)形成一定的干擾，所以在開展教學(xué)前我們需要對這些種種可能了解清楚，做到心中有數(shù)。在忽略摩擦的情況下，力的轉(zhuǎn)動效果是由力的大小F和力臂L共同決定的，該知識就是力作用效果的細(xì)化部分，而力的大小和力臂就是對力的三要素的再認(rèn)識，因此這部分內(nèi)容在教材編排上起到了承上的作用。

高中物理用力矩概念表示力的轉(zhuǎn)動效果，力矩計(jì)算公式為M=FL，它把杠桿的平衡這種特殊情況進(jìn)行了更全面的說明、更高度的概括，所以對力臂的認(rèn)識有啟下的作用。

繼“杠桿”內(nèi)容之后，下一課時內(nèi)容是“杠桿平衡條件的探究”，找準(zhǔn)力臂是探究杠桿平衡條件的基礎(chǔ)，也是歸納理解各種類型杠桿的特點(diǎn)及應(yīng)用原理的保證。杠桿平衡是力矩平衡的最簡單情形，有固定轉(zhuǎn)動軸的物體的平衡條件是力矩的代數(shù)和為零，所以認(rèn)識力臂是今后形成一系列相關(guān)規(guī)律的基礎(chǔ)。

二、建立力臂概念

1.借助圓盤

圖1是很多教師自制的教具，在一些疑難問題的研討中經(jīng)常會看到。圓形木板的圓心固定在鐵架臺上，從圓心出發(fā)畫出一系列等距的同心圓，上面固定一些點(diǎn)用于掛鉤碼，水平桿上畫上刻度，用于讀數(shù)，兩端配以平衡螺母。教材裝置的力的作用點(diǎn)只能定在同一個杠桿上，而該裝置則可以在更大的范圍內(nèi)改變力的作用點(diǎn)。這些同心圓有助于學(xué)生根據(jù)杠桿平衡條件歸納出力臂概念。這套裝置最大的優(yōu)點(diǎn)是直觀，可以量化測量對比，可以解決力臂問題。但用該裝置建立力臂概念是否合適還有待商榷。該裝置從結(jié)構(gòu)上看是一個變形的滑輪，無論是華師大版教材還是浙教版教材，知識順序都是從杠桿到滑輪，在杠桿平衡基礎(chǔ)上去認(rèn)識滑輪的省力和費(fèi)力問題，所以從知識角度來看，在水平直桿還沒認(rèn)識清楚的情況下，去分析圓形物體的受力，這大大增加了學(xué)生的理解難度，不如教材用直桿來介紹杠桿的五要素來得直觀易懂。

2.開發(fā)直桿

圖2是筆者在一次公開課上的嘗試。將鉤碼和測力計(jì)作用在杠桿的同一側(cè)，目的是為了便于操作者讀數(shù)，同時避免測力計(jì)自身重力對實(shí)驗(yàn)的影響。如圖2所示，在A點(diǎn)用力F1，B點(diǎn)用力F2使杠桿在水平位置平衡，說明力的作用點(diǎn)會影響杠桿平衡?；氐紸點(diǎn)用力F3，使杠桿水平平衡，比較力F1和F3，說明力的方向會影響杠桿的平衡。再在A點(diǎn)用力F4沿圖示方向使杠桿平衡，使F3=F4，引發(fā)思考：為什么F3和F4的大小及作用點(diǎn)相同、方向不同卻也能使杠桿在水平位置平衡呢？繼而利用自制的紙制刻度尺，在零刻度處打孔固定在O點(diǎn)，測量點(diǎn)O到力F3和F4的垂直距離，得出力臂大小。雖然力求在教材原實(shí)驗(yàn)上尋求新的突破，但實(shí)際與理想的差距很大，測量時因操作角度不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有說服力。筆者經(jīng)歷了一次失敗的嘗試。

3.力臂概念建立再認(rèn)識

在別人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合自身失敗的嘗試，筆者對力臂概念的建立進(jìn)行了再認(rèn)識。在處理這個問題時，筆者認(rèn)為最首要的是要尊重學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律用最簡單的實(shí)驗(yàn)來引導(dǎo)學(xué)生。如圖3，將鉤碼和測力計(jì)分別作用在支點(diǎn)兩側(cè)，在A點(diǎn)用不同大小的拉力豎直向下拉杠桿，以說明力的大小影響杠桿水平平衡;在A點(diǎn)改變力的方向，以說明力的方向影響力的作用效果;在B點(diǎn)用更小的力就能使杠桿在水平位置平衡，說明力的作用點(diǎn)影響了力的作用效果。以上過程強(qiáng)化了學(xué)生對力的三要素與力的作用效果的認(rèn)識。

如圖4，在A、B、C三點(diǎn)分別用大小相同的力沿圖示方向使杠桿處于水平平衡狀態(tài)。三個力的大小相同，方向、作用點(diǎn)不同，但作用效果相同。在差異中求同。三次實(shí)驗(yàn)中杠桿水平平衡時有沒有共同不變的量？引導(dǎo)學(xué)生深入思考，大膽猜想。如學(xué)生遇到困難，可以用添加輔助線的方法先解決力的作用線的問題，再進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生做出猜想。這種在一定的事實(shí)與證據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行猜想的方法是科學(xué)探究中的重要方法。這種在實(shí)驗(yàn)中所碰撞出來的猜想非常具有價值。

待學(xué)生做出猜想之后，教師可以在原器材的基礎(chǔ)上再選幾個點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，然后借助上述圓盤器材，將探究性實(shí)驗(yàn)改為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，以促進(jìn)學(xué)生更清晰地認(rèn)識力臂的存在以及力臂概念。這樣處理，細(xì)化了探究的步驟，使得學(xué)生不再完全依靠實(shí)驗(yàn)得出力臂概念。在實(shí)驗(yàn)中引發(fā)猜想，又在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證猜想，更能引起學(xué)生的共鳴。

上述教學(xué)中，教師從學(xué)生的原認(rèn)知出發(fā)，將教學(xué)順序適當(dāng)調(diào)整，基于學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，降低學(xué)習(xí)難度，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)事實(shí)引發(fā)學(xué)生猜想，引導(dǎo)學(xué)生探究，最終得出結(jié)論，建立力臂概念。建立力臂概念的過程中，教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的“助手”，是引導(dǎo)者，應(yīng)順應(yīng)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生去有效建立概念。

（責(zé)任編輯 黃春香）