尋支點(diǎn)，求本質(zhì)，培能力

陸偉波

摘要：學(xué)習(xí)動(dòng)滑輪，關(guān)鍵在于理解動(dòng)滑輪的本質(zhì)，而對(duì)動(dòng)滑輪本質(zhì)的認(rèn)識(shí)的難點(diǎn)在于動(dòng)滑輪支點(diǎn)的尋找，本文中列舉了5種常見的方法來介紹如何尋找動(dòng)滑輪的支點(diǎn)，同時(shí)也對(duì)5種方法進(jìn)行了自己的分析，每一種方法都有其優(yōu)劣，我們應(yīng)根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，合理的選擇教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)滑輪 支點(diǎn)

華師大科學(xué)九年級(jí)上冊(cè)第5章第2節(jié) 《滑輪》這一節(jié)教學(xué)中，教材中僅給出了動(dòng)滑輪的簡單定義：滑輪工作時(shí)，它的軸隨重物一起移動(dòng)的就是動(dòng)滑輪。設(shè)計(jì)了動(dòng)滑輪的一個(gè)簡單的活動(dòng)，要求學(xué)生分析測量數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)使用動(dòng)滑輪能省一半的力的特點(diǎn)。但是如果不從動(dòng)滑輪的本質(zhì)上去理解動(dòng)滑輪，那么所得的知識(shí)僅僅是停留在表面。那么如何引導(dǎo)學(xué)生理解動(dòng)滑輪的本質(zhì)，關(guān)鍵在于引導(dǎo)學(xué)生尋找動(dòng)滑輪的支點(diǎn)。而動(dòng)滑輪支點(diǎn)的尋找，無論是對(duì)老師的教，還是對(duì)學(xué)生的學(xué)而言都是一個(gè)難點(diǎn)，為了突破這一難點(diǎn)，對(duì)下面幾種教學(xué)方法進(jìn)行分析。

1.分析法

把動(dòng)滑輪看作是一個(gè)剛體，那么動(dòng)滑輪在拉力的作用下向上運(yùn)動(dòng)，可以等效的看作是豎直向上的平動(dòng)和繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)兩者的合運(yùn)動(dòng)。在C點(diǎn)施加向上的拉力時(shí)，動(dòng)滑輪就向上運(yùn)動(dòng)。若動(dòng)滑輪平動(dòng)速度為V1，動(dòng)滑輪繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)的速度為V2，在相同的時(shí)間內(nèi)，平動(dòng)所經(jīng)過的路程和繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)所經(jīng)過的路程是相等的，由此可知V1=V2. a點(diǎn)受到向上平動(dòng)的速度V1，同時(shí)也受到繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)向下的速度V2，即Va=V1-V2=0，而b點(diǎn)受到向上平動(dòng)速度為V1，因繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，所以未受到轉(zhuǎn)動(dòng)的速度V2，所以Vb=V1.c點(diǎn)受到向上的平動(dòng)速度V1和向上的轉(zhuǎn)動(dòng)速度V2，所以Vc=V1+V2=2V1.因此把a(bǔ)bc三點(diǎn)所在的動(dòng)滑輪看成一個(gè)杠桿，因a點(diǎn)的速度為0，所以a點(diǎn)是繞著杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的點(diǎn)，即支點(diǎn)。但是這個(gè)支點(diǎn)并不是固定不變的，而是在不斷的向上移動(dòng)，這個(gè)支點(diǎn)是這一時(shí)刻轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)支點(diǎn)。

這種方法能從理論上解決動(dòng)滑輪的支點(diǎn)問題，但將動(dòng)滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)看作平動(dòng)和繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)這兩者的合運(yùn)動(dòng)，較為抽象，對(duì)于初中階段的學(xué)生而言，理解難度較大，不容易接受，會(huì)挫傷學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的熱情.所以在動(dòng)滑輪新授課中不建議采用此方法，但是在培優(yōu)或滑輪復(fù)習(xí)中能采用此方法引導(dǎo)學(xué)生更深層次的理解動(dòng)滑輪的本質(zhì)，可以促進(jìn)學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。

2.臺(tái)階法

當(dāng)一圓盤在滾動(dòng)的過程中遇到一個(gè)臺(tái)階，為了使圓盤能滾上臺(tái)階，則在圓盤上施加一個(gè)水平推力F，此時(shí)圓盤能繞圓盤與臺(tái)階接觸點(diǎn)發(fā)生滾動(dòng)，即此時(shí)圓盤的支點(diǎn)為該圓盤和臺(tái)階的接觸點(diǎn)。當(dāng)臺(tái)階變小時(shí)，支點(diǎn)O就越靠近圓盤與地面的接觸點(diǎn)。利用極限思維法，當(dāng)臺(tái)階無限小時(shí)，則支點(diǎn)O就無限接近于圓盤和地面的接觸點(diǎn)，地面與圓盤的接觸點(diǎn)即為支點(diǎn)O.

接下來采用類比法，將此模型遷移到動(dòng)滑輪，讓圖4逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，并引導(dǎo)學(xué)生將圖5中固定在天花板上的繩子看成是圖4中的地面，把圖5中自由端的力看成是圖4中的推力F，成為圖5中的動(dòng)滑輪裝置，此時(shí)動(dòng)滑輪沿著右邊的繩子向上滾動(dòng)，則圓盤與右邊繩子相切的那一點(diǎn)即為動(dòng)滑輪的支點(diǎn)。隨著動(dòng)滑輪不斷向上滾動(dòng)，滑輪與右邊繩子的相切點(diǎn)也不斷上移，即支點(diǎn)不斷變化向上移動(dòng)，但始終是滑輪和右邊繩子相切的點(diǎn)。

臺(tái)階法判斷圓盤和障礙物間的支點(diǎn)對(duì)學(xué)生而言有一定的生活經(jīng)驗(yàn)和體驗(yàn)，所以此法盡管采用了極限思維和類比的方法，但是在初中科學(xué)中都有被較多的應(yīng)運(yùn)，對(duì)于學(xué)生而言也并不陌生.因此能很好的幫助學(xué)生尋找到動(dòng)滑輪的支點(diǎn)，學(xué)生也比較容易理解和接受。同時(shí)這些方法和能力的培養(yǎng)也是初中科學(xué)核心素養(yǎng)的一種重要體現(xiàn)。

3.實(shí)驗(yàn)觀察法

將兩個(gè)鐵架臺(tái)、及動(dòng)滑輪等按圖6所示方法安裝好，并用紅色記號(hào)筆連接AB兩點(diǎn)，同時(shí)將一條白色棉線綁在兩個(gè)鐵架臺(tái)上，要求白色棉線恰好經(jīng)過AB兩點(diǎn)。然后緩慢提起動(dòng)滑輪繩子自由端較小角度，并觀察紅色記號(hào)筆標(biāo)注的各點(diǎn)與白色棉線之間的距離的變化。B點(diǎn)與白色棉線之間的距離較大，動(dòng)滑輪軸所在位置與棉線之間的距離較小，而A點(diǎn)與白色棉線之間幾乎沒有移動(dòng)。由此可以發(fā)現(xiàn)動(dòng)滑輪圍繞著A點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，即動(dòng)滑輪的支點(diǎn)為A點(diǎn)。

用此方法尋找動(dòng)滑輪的支點(diǎn)，也能尋找出動(dòng)滑輪的支點(diǎn)，但由于實(shí)驗(yàn)室所能提供的動(dòng)滑輪一般相對(duì)較小，作為演示實(shí)驗(yàn)，效果并不是特別明顯，同時(shí)由于動(dòng)滑輪偏轉(zhuǎn)角度較小，觀察時(shí)相對(duì)比較吃力。建議采用此方法時(shí)，可以用實(shí)物投影或用手機(jī)的慢鏡頭攝錄后再進(jìn)行視頻播放，效果相對(duì)明顯一點(diǎn)。

4.實(shí)驗(yàn)反推法

根據(jù)教材中的活動(dòng)，選擇輕質(zhì)動(dòng)滑輪，并適當(dāng)增加鉤碼的個(gè)數(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，多次測出鉤碼和動(dòng)滑輪的總重力及繩子自由端的拉力大小，并尋找相應(yīng)的規(guī)律。這里建議教師先引導(dǎo)學(xué)生為什么要測鉤碼和滑輪的總重力而不是僅測鉤碼的重力，因?yàn)榇藭r(shí)不僅提升了鉤碼，同時(shí)也提升了滑輪，因此這樣能夠更為精確的得出G和F的數(shù)值，便于學(xué)生更好的尋找規(guī)律.

根據(jù)杠桿平衡條件F1L1=F2L2，可以得出L1=2L2，再根據(jù)力臂的定義：“支點(diǎn)到力的作用線的距離”，反推支點(diǎn)的位置。在圖中因?yàn)閯?dòng)力F1和阻力F2 均在豎直方向上，且L1=2L2，由此可知支點(diǎn)O必定在固定在天花板的那條直線上，又因支點(diǎn)必須與動(dòng)滑輪接觸，則該支點(diǎn)為動(dòng)滑輪與右邊直線相切的那一點(diǎn)。

采用這種方法來尋找動(dòng)滑輪的支點(diǎn)，從而認(rèn)識(shí)動(dòng)滑輪的本質(zhì)，是符合學(xué)生認(rèn)知的發(fā)展規(guī)律的。認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)是建立在大量事實(shí)基礎(chǔ)之上的，本方法先采用實(shí)驗(yàn)探究的方法，讓學(xué)生尋找拉力和重力之間的關(guān)系，然后再根據(jù)已學(xué)的杠桿的知識(shí)，推導(dǎo)出力臂之間的關(guān)系，再從力臂的關(guān)系之中，反推支點(diǎn)的位置，從而得到動(dòng)滑輪的本質(zhì)動(dòng)力臂是阻力臂兩倍的省力杠桿。動(dòng)滑輪本質(zhì)的探尋過程，充分的體現(xiàn)了新課程的學(xué)習(xí)方式，改變了死記硬背機(jī)械練習(xí)的現(xiàn)狀，學(xué)生在探尋動(dòng)滑輪本質(zhì)的過程中，主動(dòng)的參與，積極的思考，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。但是缺點(diǎn)就是不夠形象直觀，對(duì)于中等偏下的學(xué)生利用反推法得到支點(diǎn)的位置還是會(huì)存在一定的困惑.

5.杠桿形變法

取一個(gè)如圖所示的動(dòng)力臂為阻力臂兩倍的直杠桿，學(xué)生很容易確定杠桿的支點(diǎn)。讓杠桿在原有的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)生形變，如圖8至圖11，這樣學(xué)生很容易理解動(dòng)滑輪的支點(diǎn)在固定端繩子與動(dòng)滑輪相切的點(diǎn)。

采用此方法尋找動(dòng)滑輪的支點(diǎn)，看上去比較簡單，學(xué)生也比較容易接受，但是實(shí)際在一定程度上違反了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，存在一定的缺陷，同時(shí)也在一定程度上束縛了學(xué)生的科學(xué)探究能力，不利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法和能力.因此個(gè)人不建議采用采訪進(jìn)行教學(xué)，但是對(duì)于班級(jí)中理解能力相對(duì)比較薄弱的學(xué)生使用此法能起到立桿見影的效果.

除了上述5種尋找動(dòng)滑輪支點(diǎn)的方法，還有一些類似的方法，不在此處一一贅述，任何一種方法或?qū)W習(xí)方式都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和不足，對(duì)于不同層次的學(xué)生，可以根據(jù)班級(jí)學(xué)生的實(shí)際情況，采用不同的教學(xué)方法，或者是多種方法并用，使學(xué)生收獲知識(shí)的同時(shí)，也得到能力的提升。

結(jié)語：

本著讓學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)自主發(fā)展的目標(biāo)，在動(dòng)滑輪學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)該設(shè)計(jì)一系列的探究活動(dòng)，以激活學(xué)生原有的知識(shí)儲(chǔ)備，擴(kuò)展學(xué)生實(shí)踐研究的范圍，誘發(fā)學(xué)生主體探究的動(dòng)機(jī)，使學(xué)生在深層次的探索活動(dòng)中，體驗(yàn)探索的艱辛和成功，激發(fā)學(xué)生探索興趣和熱情，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新情惑，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

教師是教學(xué)的組織者，應(yīng)“領(lǐng)著學(xué)生走進(jìn)知識(shí)，而不是領(lǐng)著知識(shí)靠近學(xué)生”。使學(xué)生學(xué)會(huì)歸納、整合、建構(gòu)知識(shí)體系。培養(yǎng)學(xué)生大膽猜想、探究創(chuàng)新的精神。并讓學(xué)生體會(huì)到老師是朋友，老師是學(xué)生學(xué)習(xí)的幫助者，是知識(shí)的共同探究者。

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