自制實驗教具突破教學(xué)重難點

山東省淄博市淄川區(qū)寨里鎮(zhèn)黌陽中學(xué)(255100) 王雪梅

“杠桿”是簡單機(jī)械一章中非常重要的一節(jié)，其重點之一是力臂的學(xué)習(xí)。力臂的概念比較抽象，在教學(xué)過程中很多教師忽視了力的作用線在引入力臂概念時的重要性，學(xué)生很難理解力臂概念。另一個重難點是探究杠桿的平衡條件，課本上探究了杠桿在水平位置平衡時的平衡條件，對于杠桿不在水平位置平衡、力的方向與杠桿不垂直等情況下杠桿平衡條件沒有探究，不能體現(xiàn)杠桿平衡條件具有普遍適用的特點。于是,筆者通過自制實驗教具突破本節(jié)的重難點。

1 自制寬杠桿引入力臂概念

杠桿是日常生活中最常見的一種簡單機(jī)械。在魯科版8年級下冊教材中力臂的概念是直接出示的，“動力臂：從支點到動力作用線的距離；阻力臂：從支點到阻力作用線的距離”。教材內(nèi)容缺少力臂概念的探究過程，學(xué)生不理解力臂概念，不能突破力臂學(xué)習(xí)這個難點,且在教學(xué)中教師比較注重力臂的作圖，卻不重視力臂與力的作用線的邏輯關(guān)系講解。雖然反復(fù)強(qiáng)調(diào)力臂畫法，學(xué)生也不能正確做出動力臂和阻力臂，這對杠桿的學(xué)習(xí)形成了很大阻礙。為此，筆者設(shè)計并列寬杠桿，引入力的作用線概念，探究力臂定義的得出過程。

1.1 實驗導(dǎo)入

先讓學(xué)生親自體驗用一根撬棒撬起重物，學(xué)生體會怎樣做用力最小。學(xué)生通過實驗發(fā)現(xiàn)手在杠桿末端時撬動物體最省力，手離支點越近越費(fèi)力。從而學(xué)生猜想：用力的大小與支點到力的作用點的距離有關(guān)。

1.2 自制教具介紹

該教具由3塊長、寬、厚完全相同的塑料板組成。3塊塑料板上的O點和A點的位置完全重合。在A點懸掛一個鉤碼，作為阻力。在右側(cè)分別選擇到O點距離不同的A′、B′、C′ 3點，在A′點、B′點、C′點懸掛鉤碼，調(diào)節(jié)鉤碼個數(shù)，使3根杠桿分別平衡。

1.3 自制教具運(yùn)用

如圖1所示，觀察發(fā)現(xiàn)支點O到作用點(A′、B′、C′)的距離分別是OA′、OB′、OC′，且OA′

圖1 自制教具

通過自制寬杠桿，驗證影響力的大小的距離不是支點到力的作用點的距離。找出A′、B′、C′點所用力的共同點，定義力的作用線，這樣引入力臂概念，直觀反映力臂和力的作用線之間位置關(guān)系，使力臂概念得出更具有邏輯性，符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律。

2 運(yùn)用滑輪、杠桿、光具座組合，改變杠桿中力的方向

魯科版教材“杠桿”一節(jié)“探究杠桿平衡條件”實驗中，調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡，兩側(cè)分別懸掛鉤碼作為動力和阻力，調(diào)節(jié)鉤碼個數(shù)和懸掛位置，使杠桿在水平位置平衡。此時力的方向與杠桿垂直，方便讀取力臂大小。實際上，這只是杠桿平衡的一種特殊情況，很多杠桿平衡時，力并不與杠桿垂直。筆者利用滑輪和杠桿組合，將鐵架安裝到光具座上，演示特殊情況下杠桿的平衡。

2.1 實驗導(dǎo)入

“杠桿”一節(jié)中有這樣一個實驗(見圖2)，通過手持定滑輪改變動力的方向，觀察杠桿的平衡情況，探究力臂與力的大小的關(guān)系。學(xué)生實驗時發(fā)現(xiàn)，裝置不穩(wěn)定，影響實驗效果。學(xué)生手持定滑輪，不能完成其他實驗操作，影響探究實驗進(jìn)度。筆者將滑輪、杠桿、光具座組裝，既可以改變力的方向，也可以彌補(bǔ)上述的不足。

圖2 教材中的實驗

2.2 教具介紹

將兩根鐵架分別固定在光具座上A、B兩底座上，(A、B可在光具座上左右移動)。第一種組合方式，在A鐵架上懸掛杠桿，調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡。在B鐵架上固定一個定滑輪，繞線方式如圖3所示，此時動力和阻力在支點同側(cè)，動力方向和阻力方向大致相反。第二種組合方式，在B鐵架上固定兩個定滑輪，兩個定滑輪一上一下放置，繞線方式如圖4所示，此時動力和阻力在支點的兩側(cè)。

圖4 組合二

兩種實驗裝置都可以通過左右移動底座B的位置，改變力的方向，進(jìn)而改變力臂的大小。通過調(diào)節(jié)鉤碼個數(shù)和細(xì)線在杠桿上的位置，使杠桿在水平位置平衡。

2.3 教具優(yōu)點

組裝后的杠桿裝置更穩(wěn)定了，而且可以通過移動底座B改變力的方向，更方便快速，節(jié)約實驗時間。通過組裝后的杠桿裝置，能夠演示力與杠杠不垂直、動力和阻力在支點同側(cè)、兩側(cè)等許多情況下杠桿的平衡情況，有利于學(xué)生探究一般情況下杠桿平衡時的平衡條件。

3 自制可折疊T形尺測量力臂

在杠桿學(xué)習(xí)時，探究力臂與力的關(guān)系，教師總是定性的表述，力臂變小，對應(yīng)的力的大小變大。沒有定量的表述力臂與力之間的關(guān)系。這是因為力的方向與杠桿不垂直時普通刻度尺不方便測量力臂的大小。于是，筆者設(shè)計可折疊T形尺，準(zhǔn)確方便測量各種情況下力臂大小。

3.1 可折疊T形尺介紹

T形尺采用兩段不銹鋼尺組成，在豎尺的兩側(cè)均有刻度。橫尺由兩個可折疊尺組成，如圖5所示，我們利用兩個直角進(jìn)行力臂的測量。

圖5 T形尺

3.2 可折疊T形尺使用

用T形尺測量力臂時，將橫尺與拉力方向重合，平行移動豎尺，讓支點經(jīng)過豎尺，通過豎尺刻度讀取力臂。如圖6所示情況下，要測量力臂需要做力的作用線，我們將可折疊部分打開，延長的T形尺橫尺與拉力方向重合，延長的尺子與力的延長線重合，發(fā)揮出力的作用線的作用。

圖6 折疊T形尺的使用

3.3 可折疊T形尺優(yōu)點

使用自制可折疊T形尺能方便快速測量各種杠桿平衡時力臂的大小。通過T形尺直觀展現(xiàn)力臂和力的作用線的關(guān)系，對理解力臂、正確做出力臂有很大幫助。

4 探究杠桿的平衡條件

在課本中，“探究杠桿的平衡條件”實驗運(yùn)用杠桿在水平位置平衡時力與杠桿垂直，通過讀取杠桿上的刻度讀取力臂，通過鉤碼的重力讀取力的大小。記錄數(shù)據(jù)研究力臂和力之間的關(guān)系。運(yùn)用了由特殊到一般的實驗方法。當(dāng)杠桿不在水平位置平衡或者力與杠桿不垂直時，杠桿的平衡條件是否適用，并沒有做出驗證。筆者通過將滑輪和杠桿組裝裝置與可折疊T形尺一起使用，設(shè)計實驗，探究杠桿的平衡條件。

4.1 實驗過程

圖7(a)為杠桿不在水平位置平衡，利用鉤碼重力讀取動力和阻力的大小，利用可折疊T形尺測量動力臂和阻力臂的大小。圖7(b)為動力和阻力分別在支點兩側(cè)。圖7(c)為動力和阻力在支點同側(cè)，移動光具座，改變力的方向，調(diào)節(jié)鉤碼個數(shù)和細(xì)線位置，使杠桿平衡，可多次測量動力、動力臂、阻力、阻力臂的值。對多組數(shù)據(jù)分析，得出杠桿的平衡條件。

(a) (b) (c)圖7 實驗過程

4.2 實驗優(yōu)點

實驗中涵蓋了多種情況下杠桿平衡時的數(shù)據(jù)，既能得出杠桿的平衡條件也能驗證教材中杠桿平衡條件的正確性，體現(xiàn)物理規(guī)律普遍適用的原則。教材中“探究杠桿平衡條件”研究的是特殊情況下杠桿的平衡，筆者實驗設(shè)計研究一般情況杠桿平衡時“杠桿的平衡條件”，體現(xiàn)從特殊到一般的物理研究思路，有利于學(xué)生形成科學(xué)的思維方式。

5 教學(xué)反思

通過自制教具，突破了力臂定義的得出和探究杠桿平衡條件兩個重難點。課堂通過演示實驗，使學(xué)生理解力臂，對杠桿有了更深刻的認(rèn)識。不同的情況下“杠桿平衡條件”的得出滲透物理學(xué)中解決問題的思想，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式。筆者在細(xì)節(jié)上，選擇不同顏色的線，選取寬杠桿的材料，減小誤差，使實驗效果更明顯。學(xué)生進(jìn)行分組實驗，優(yōu)化實驗步驟，使實驗簡單、高效，提高了課堂教學(xué)效率。