杠桿演示儀

劉信生，周 江，陶士金

(1.廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)，安徽 廬江 231551；2.廬江縣柯坦鎮(zhèn)陳埠初級(jí)中學(xué)，安徽 廬江 231500；3.合肥市教育科學(xué)研究院，安徽 合肥 230071)

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的不足

探究杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)是初中物理教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一. 無論是演示實(shí)驗(yàn)還是分組實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論是杠桿平衡中最簡(jiǎn)單、最常見的特例，教材只安排簡(jiǎn)單的探究活動(dòng)，目的是降低實(shí)驗(yàn)探究的難度[1]. 讓學(xué)生在特殊的情況(水平平衡狀態(tài)下)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，總結(jié)得出杠桿平衡原理. 該實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)中存在以下不足：

1)學(xué)生狹義地認(rèn)為杠桿只有在水平位置才能達(dá)到平衡，力臂就是支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)之間的長(zhǎng)度.

2)將鉤碼的重力換作彈簧測(cè)力計(jì)的拉力，特別是傾斜的拉力作用，其力臂的測(cè)量難度較大.

3)即使采用垂直于作用力的刻度尺勉強(qiáng)測(cè)量出力臂，也需要多人合作，測(cè)量數(shù)據(jù)誤差大.

4)學(xué)生在實(shí)操中無法體驗(yàn)任意方向拉力的力臂測(cè)量，對(duì)學(xué)生物理思維訓(xùn)練的作用有限，教學(xué)效果達(dá)不到課程目標(biāo)中掌握力臂概念和理解杠桿平衡原理的要求.

2 杠桿演示儀的制作方法

如何準(zhǔn)確、便捷地測(cè)量出力臂是實(shí)驗(yàn)需要突破的關(guān)鍵. 將刻度尺的刻度線部分進(jìn)行改進(jìn)，制作出單人能輕松且精準(zhǔn)測(cè)量作用在杠桿上任意方向拉力的力臂的杠桿演示儀，如圖1所示.

圖1 自制杠桿演示儀

2.1 刻度板的制作方法

在Adobe Photoshop圖像處理軟件的界面上選取與A4紙長(zhǎng)和寬相同的尺寸，畫出分度值為1 mm的刻度尺，將刻度線沿橫向2等分，將0刻度線置于界面中央位置(粗紅線)，再以0刻度線為對(duì)稱軸左右對(duì)稱的位置標(biāo)出以mm為單位的刻度，兩側(cè)的量程均為15 cm，兩側(cè)相對(duì)應(yīng)的刻度中，每隔1 cm用實(shí)線連接，每1 cm中間用虛線等分，在實(shí)線間標(biāo)上刻度的數(shù)值. 將設(shè)計(jì)好的特殊“刻度尺”彩色打印在A4紙上，用塑封機(jī)塑封好，如圖2所示. 再用打孔器在零度線處打上小孔做成刻度板備用.

圖2 自制刻度板

2.2 杠桿演示儀的組裝

首先將演示杠桿支架豎直固定在鐵架臺(tái)直桿上，將自制刻度板的小孔先穿入鐵架臺(tái)上固定杠桿的轉(zhuǎn)軸，再在轉(zhuǎn)軸上旋入螺母，前后2枚螺母擠壓刻度板的松緊度適度，達(dá)到用手轉(zhuǎn)動(dòng)刻度板且放手后刻度板可以在任何角度保持靜止為宜. 然后將細(xì)線懸掛的重錘線系在轉(zhuǎn)軸上，調(diào)節(jié)刻度板，使刻度板的0刻度紅線與重垂線重合，再穿上輕質(zhì)演示杠桿. 最后旋上杠桿的支點(diǎn)固定螺母. 在杠桿兩側(cè)可移動(dòng)的懸掛點(diǎn)下分別系好帶有掛鉤的深色棉線，目的是方便加掛鉤碼.

取600 mm×800 mm×8 mm透明亞克力板1塊，將亞克力板做成“Y”字形，兩側(cè)對(duì)稱地鏤空成圓弧狀槽. 取實(shí)驗(yàn)室中去掉外框的塑料滑輪2枚，分別用螺桿穿過2枚滑輪的軸心和亞克力板的圓弧狀槽，再用螺母在槽的背面旋入螺桿，懸掛好左右兩側(cè)的滑輪，通過調(diào)節(jié)螺桿上螺母的松緊保證兩滑輪可以固定在圓弧形槽內(nèi)任意位置，再把下方板面切掉，目的讓鉤碼能懸空. 在亞克力板的中間靠正下方打2個(gè)孔，便于用螺絲將亞克力板豎直地固定在鐵架臺(tái)上，前后調(diào)節(jié)板面，使演示杠桿與其在同一豎直面內(nèi).

3 刻度板測(cè)力臂的原理

如圖1所示，當(dāng)刻度板的0刻度線處的小孔與輕質(zhì)杠桿的支點(diǎn)共軸，則在杠桿左右兩側(cè)懸掛重物保持水平方向靜止時(shí)，兩側(cè)的力臂可以從水平放置的刻度板上直接讀出. 當(dāng)作用在杠桿兩側(cè)的拉力不與杠桿垂直時(shí)，如圖3所示，輕質(zhì)杠桿在F1和F2的作用下保持平衡. 此時(shí)先順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)刻度板[圖3(a)]，使刻度板上的刻度線與拉力F1作用線平行，根據(jù)力臂的定義，用虛線作出力F1對(duì)應(yīng)的力臂，再將虛線平移到刻度板對(duì)邊的刻度線上，發(fā)現(xiàn)它們與刻度板0刻度線、拉力F1作用線延長(zhǎng)線構(gòu)成矩形. 根據(jù)矩形對(duì)邊相等的性質(zhì)，此時(shí)F1力臂大小就是刻度板上的刻度線與拉線重合的刻度尺的示數(shù)(讀數(shù)時(shí)的視線一定要與刻度板垂直)，記為L(zhǎng)1. 同理，圖3(b)中F2的力臂大小就是刻度板上刻度線與拉線重合的刻度尺的示數(shù)，記為L(zhǎng)2.

(a)

4 使用杠桿演示儀探究杠桿平衡條件

4.1 調(diào)節(jié)刻度板，杠桿水平平衡

將2根等長(zhǎng)一端系有回形針做的掛鉤、一端系在杠桿兩側(cè)掛重物的提紐的深色棉線自然垂下，調(diào)節(jié)提紐到支點(diǎn)的距離相等. 輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)刻度板，使刻度板的0刻度紅線與重垂線重合. 調(diào)節(jié)杠桿兩端的螺母，使杠桿在水平位置平衡.

4.2 探究實(shí)驗(yàn)

1)將2根棉線分別繞過固定在滑槽中的滑輪，分別在左右掛鉤下加掛1個(gè)(0.5 N)和2個(gè)鉤碼(1.0 N)，移動(dòng)杠桿上的懸掛提紐，調(diào)節(jié)杠桿再次在水平位置靜止.

2)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)刻度板，使刻度板上的刻度線與左側(cè)力的作用線(細(xì)線)平行，眼睛正視刻度板(找到細(xì)線與刻度線重合的位置)，讀出左側(cè)作用力的力臂L1.

3)再逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)刻度板，采用2)的方法，讀出右側(cè)作用力的力臂L2.

4)改變細(xì)線掛鉤下重物的物重(分別在左、右側(cè)加掛2或3個(gè)鉤碼)，重復(fù)步驟2)和3)，讀出杠桿左右兩側(cè)作用力的力臂.

5)改變杠桿兩側(cè)滑輪在滑槽中的位置，分別在左、右側(cè)加掛1或4個(gè)鉤碼，不再移動(dòng)杠桿上懸掛點(diǎn)的位置，讓演示杠桿在任意位置處于平衡狀態(tài)，分別測(cè)出各力及其對(duì)應(yīng)的力臂.

6)將分別繞過固定在滑槽中的滑輪上2根掛重物的棉線取下，讓其自然下垂，繼續(xù)探究杠桿提紐下豎直懸掛重物和杠桿水平靜止的情形.

實(shí)驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示. 整理數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)得出結(jié)論：F1L1=F2L2.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

在探究杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)中，如何簡(jiǎn)捷、精準(zhǔn)測(cè)量力臂是實(shí)驗(yàn)操作的難點(diǎn)，也是教師在教學(xué)實(shí)踐中優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置的焦點(diǎn). 將刻度尺進(jìn)行有效改進(jìn)，制作亞克力支架，在鏤空為圓弧狀槽中裝定滑輪，運(yùn)用定滑輪不省力但可以隨意改變動(dòng)力或阻力方向的特性，使實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)具有普遍性，這有利于在創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力和科學(xué)思維能力，更有利于提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng).