探究杠桿的平衡條件

湖北省十堰市鄖陽區(qū)城關(guān)鎮(zhèn)第一初級中學(xué)(442500) 陳約虎

1 教材分析

“探究杠桿的平衡條件”既是“力”的教學(xué)內(nèi)容的延伸，又是后續(xù)教學(xué)“其他簡單機械”的基礎(chǔ)，這部分內(nèi)容起著承上啟下的作用。本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)主要分三個部分：第一部分是認(rèn)識杠桿，知道杠桿的五個要素，會畫杠桿的力臂；第二部分是探究杠桿的平衡條件實驗；第三個部分是杠桿平衡條件的應(yīng)用。

2 學(xué)情分析

8年級學(xué)生雖然已經(jīng)具備相關(guān)的物理知識和科學(xué)探究素養(yǎng)，但對杠桿的認(rèn)識還很感性，比較膚淺、片面。因此，在教學(xué)中要鼓勵學(xué)生積極地去觀察、討論、猜想、探究，由感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，從中歸納出杠桿的特征及平衡條件。

3 實驗教學(xué)目標(biāo)

(1)知識與技能：通過實驗探究得出杠桿的平衡條件。

(2)過程與方法：通過對杠桿的研究，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和用科學(xué)的方法解決問題的能力。

(3)情感態(tài)度與價值觀：學(xué)生使用改進的實驗儀器，滲透創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度。

(4)教學(xué)重點：理解杠桿的平衡條件。

(5)教學(xué)難點:理解力臂的概念。

4 教法與學(xué)法

為了突出教學(xué)重點，突破教學(xué)難點，采用了以下的教法和學(xué)法。

(1)教法：主要采用演示實驗法、引導(dǎo)啟發(fā)法。

(2)學(xué)法：自主學(xué)習(xí)法、實驗探究法、小組合作法。

5 實驗器材

(1)自制的杠桿、鐵架臺、鉤碼、彈簧測力計、圓形刻度盤、重垂線、細(xì)線。

(2)便于測量力臂的長度。

6 實驗設(shè)計思路

在實際操作中，學(xué)生很難判斷杠桿是否在水平位置平衡，實驗得出的僅僅是特殊情形下杠桿在水平位置平衡時的一個結(jié)論。實驗結(jié)論不具有普遍性，不利于學(xué)生理解力臂的概念。

在改進實驗裝置中，為了讓學(xué)生能準(zhǔn)確地判斷杠桿是否處于水平位置。在杠桿的支點處安裝了一個簡易的重垂線，利用重垂線判斷杠桿是否在水平位置平衡，使零刻度線與重垂線重合，此時中間的軸線處于水平位置。實驗時，若杠桿與中間的軸線重合，可以判斷杠桿處于水平位置。

探究各種情形下的杠桿平衡實驗。先將杠桿調(diào)平，在杠桿的兩側(cè)掛上數(shù)量不同的砝碼，移動懸掛點的位置，使杠桿處于平衡狀態(tài)。實驗的關(guān)鍵在于測量力臂。筆者采用可轉(zhuǎn)動的圓形刻度盤測出各種情形下杠桿平衡時力臂的長度。懸掛點的細(xì)線可以作為力的作用線，通過轉(zhuǎn)動圓形刻度盤，使力的作用線與圓形刻度盤中的某條刻度線重合，此時該條刻度線所對應(yīng)數(shù)值就是力臂的長度(見圖1)。

實驗裝置改進如下：用質(zhì)量較輕的鋁合金作為杠桿，利用側(cè)面的滑槽安裝了兩個線卡作為懸掛點。左端安裝了平衡螺母，右端彎曲，設(shè)計成曲臂杠桿(見圖2)。為了讓學(xué)生明白力臂不一定在杠桿上，制作了可以轉(zhuǎn)動的圓形刻度盤，零刻度在圓心上?？潭认騼蓚?cè)逐漸增大，每條刻度線與中間的軸線相互垂直。實驗時將杠桿的支點位于零刻度處，調(diào)節(jié)平衡螺母使杠桿在水平位置平衡，實驗過程中可以通過轉(zhuǎn)動圓形刻度盤測出各種情形下杠桿平衡時力臂的長度。

圖2 改進裝置各部分名稱

7 實驗教學(xué)過程

7.1 提出問題

創(chuàng)設(shè)蹺蹺板情景，讓學(xué)生想一想影響杠桿平衡可能與哪些因素有關(guān)？

7.2 猜想與假設(shè)

學(xué)生討論后可能得出：影響杠桿平衡的因素可能與力、力臂有關(guān)。

7.3 實驗方案設(shè)計

教師引導(dǎo)學(xué)生討論并展示設(shè)計方案，然后完善實驗方案，介紹實驗裝置的改進及使用方法。

7.4 進行實驗與收集數(shù)據(jù)

根據(jù)設(shè)計的實驗，學(xué)生親自動手實際操作，探究杠桿的平衡條件。教師指導(dǎo)學(xué)生完成分組實驗，各小組探究過程如下：①探究杠桿在水平和非水平位置的平衡(見圖3)；②探究杠桿拉力在豎直和非豎直方向的平衡(見圖4)；③探究曲臂杠桿的平衡(見圖5)；④探究各種情形下杠桿的平衡。各小組進行實驗并記錄數(shù)據(jù)。

圖3 探究杠桿在非水平位置的平衡

圖4 探究杠桿在非豎直方向的平衡

圖5 探究曲臂杠桿的平衡

7.5 分析與論證

教師引導(dǎo)學(xué)生對測量數(shù)據(jù)進行分析，學(xué)生交流、發(fā)言，得出杠桿的平衡條件是：動力×動力臂=阻力×阻力臂，公式表示為：F1L1=F2L2。

設(shè)計意圖：采用科學(xué)探究式教學(xué)，通過討論交流，引導(dǎo)學(xué)生理解實驗方案與測量方法；通過學(xué)生分組實驗，提升合作探究與動手實驗?zāi)芰?、?shù)據(jù)收集與處理能力；通過討論、分析、論證等探究活動，提升科學(xué)思維與實驗探究的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

8 實驗效果評價

8.1 改進創(chuàng)新點

(1)改進裝置中，利用重垂線讓學(xué)生準(zhǔn)確地判斷杠桿是否處于水平位置，有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

(2)利用改進后的實驗裝置，探究多種情形下杠桿的平衡實驗，有利于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力，也使得出的結(jié)論更具有普遍性。

(3)突破了力臂測量的難點，有利于學(xué)生理解掌握力臂的概念。

8.2 教學(xué)方式改變

在整個教學(xué)過程中，學(xué)生積極主動參與科學(xué)探究過程，達成了教學(xué)目標(biāo)，提高了學(xué)生的實驗探究能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和學(xué)科核心素養(yǎng)。

8.3 反思及改進

下一步考慮對圓形刻度盤再進行改進，使實驗儀器精確度更高，直觀性更強，測量更方便。