通過自制教具實(shí)現(xiàn)杠桿實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)及拓展

黃淑靜

(浙江省寧波大學(xué)附屬學(xué)校，浙江 寧波 315000)

1 教材中杠桿實(shí)驗(yàn)存在的不足

圖1 教材中的杠桿

“杠桿”是華師大版科學(xué)九年級上冊第5章“功和簡單機(jī)械”第1節(jié)的內(nèi)容.教材中采用如圖1所示的器材讓學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn),通過改變左右兩邊鉤碼的數(shù)目,讓杠桿保持水平平衡,從而得出“動力×動力臂=阻力×阻力臂”這個結(jié)論.

該實(shí)驗(yàn)器材主要存在以下幾個不足: ① 此杠桿僅在水平平衡狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),使學(xué)生對杠桿平衡狀態(tài)的認(rèn)識存在偏差,認(rèn)為只有在水平位置平衡才是平衡,杠桿傾斜就不是平衡; ② 由于此杠桿力臂讀數(shù)的刻度就標(biāo)在杠桿上,對杠桿力臂所在的位置有所誤導(dǎo),會有部分學(xué)生認(rèn)為力臂總是在杠桿上,對力臂概念的掌握制造了障礙; ③ 該器材導(dǎo)致了學(xué)生對杠桿種類的認(rèn)識不全面,認(rèn)為只有直的硬棒才是杠桿,彎曲的就不是杠桿; ④ 用鉤碼來提供拉力和阻力,僅能提供豎直向下的力.而使用彈簧測力計(jì)來提供力,雖然能夠改變力的方向,但是卻難以保證力的恒定; ⑤ 由于該器材使用方式有限,學(xué)生容易對力臂的概念存在誤解,認(rèn)為力臂是“力的作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離”.

杠桿知識是前面力學(xué)知識的延續(xù),也是后面學(xué)習(xí)滑輪、滑輪組等知識的基礎(chǔ),是力學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容.所以對本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)顯得尤為重要.

2 新型杠桿試驗(yàn)儀

該新型杠桿實(shí)驗(yàn)儀成品如圖2所示,主要由可彎折輕質(zhì)杠桿、可移動滑輪、可旋轉(zhuǎn)力臂讀數(shù)盤3部分構(gòu)成.

圖2 新型杠桿實(shí)驗(yàn)儀

2.1 可彎折輕質(zhì)杠桿的構(gòu)造及用途

為避免學(xué)生出現(xiàn)“只有直的硬棒才是杠桿”這樣的錯誤認(rèn)知,筆者設(shè)計(jì)了如圖3所示的可彎折輕質(zhì)杠桿.使用密度較小的鋁材,能夠減小杠桿本身重力對實(shí)驗(yàn)的影響,將直鋁條分為3段,鉆孔后用蝶形螺絲相連接,操作者手動即可調(diào)節(jié)杠桿彎折程度,無需借助工具,使用更加方便.在鋁條的兩端加裝平衡螺母,用于調(diào)節(jié)杠桿平衡,增加實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性.該杠桿的重心和支點(diǎn)重合,能夠在任意角度保持平衡.

圖3 可彎折輕質(zhì)杠桿

杠桿上無刻度,避免學(xué)生產(chǎn)生“力臂總在杠桿上”的錯誤認(rèn)知,也可以在非水平平衡狀態(tài)下進(jìn)行“杠桿平衡條件”的實(shí)驗(yàn)探究,使結(jié)論更具普遍性.可彎折杠桿曲直可變,在課堂里能夠模擬生活中各式各樣的杠桿,有效避免學(xué)生產(chǎn)生單一片面的杠桿認(rèn)識,使實(shí)驗(yàn)器材變得生活化.其次通過對彎曲杠桿力臂的分析,能夠加深學(xué)生對杠桿工作原理的學(xué)習(xí),更容易將知識遷移,用于解釋一些生活中難度較大杠桿的原理.同時(shí)也能對下一步學(xué)習(xí)杠桿的分類打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).通過對異形杠桿的教學(xué),可為后面滑輪的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ),同時(shí)也提高了學(xué)生使用工具的能力和物理模型運(yùn)用的能力.

2.2 可移動滑輪的構(gòu)造及用途

該實(shí)驗(yàn)儀的最外圈安裝了環(huán)形軌道,并在軌道上安裝了兩個定滑輪,如圖4所示.定滑輪用蝶形螺絲固定在軌道上,也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要移動至軌道的任意位置并固定,方便進(jìn)行各類杠桿實(shí)驗(yàn)的拓展.

圖4 可移動滑輪

原實(shí)驗(yàn)裝置中使用鉤碼僅可提供豎直向下的力,為模擬生活中的各類杠桿造成了很大的局限.可移動滑輪的設(shè)計(jì),不僅提供了360°任意方向上的力,而且優(yōu)化了使用彈簧測力計(jì)不能保證力恒定的缺點(diǎn),提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,為杠桿教學(xué)提供多種可能.

2.3 可旋轉(zhuǎn)力臂讀數(shù)盤的構(gòu)造及用途

可旋轉(zhuǎn)力臂讀數(shù)盤(以下簡稱“讀數(shù)盤”),由一塊圓形木板及可拆卸的方格紙構(gòu)成,讀數(shù)盤懸掛于支架上方可繞圓心進(jìn)行轉(zhuǎn)動,讀數(shù)盤上附上方格紙,取其中一條直徑畫出并標(biāo)上刻度,與該刻度垂直的有很多線段,每條線段相隔1 mm,保證了力臂讀數(shù)的準(zhǔn)確性.使用時(shí),無論力的方向如何,旋轉(zhuǎn)力臂讀數(shù)盤,使細(xì)棉線(即力的作用線),與讀數(shù)盤上的某一線段重合,再順著這根線段向上,找到線段與刻度的交點(diǎn),讀出示數(shù),就是該力臂的長度,如圖5所示.

力臂的定義是力的作用線到支點(diǎn)的垂直距離.當(dāng)我們使用讀數(shù)盤進(jìn)行讀數(shù)時(shí),將力的作用線轉(zhuǎn)化為讀數(shù)盤上的線段,而支點(diǎn)到力的作用線的距離,就是線段與刻度的交點(diǎn)到支點(diǎn)的距離,而在交點(diǎn)上又已經(jīng)直接標(biāo)出了刻度,讀數(shù)非常方便,操作也很簡單.

圖5 可旋轉(zhuǎn)力臂讀數(shù)盤

讀數(shù)盤上附著的是可拆卸的方格紙,學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)操作過程中在方格紙上直接畫出力的作用線,再于實(shí)驗(yàn)后將方格紙拆下并作圖,通過總結(jié)歸納得出力臂的概念,有效破解力臂難點(diǎn),幫助學(xué)生掃清概念建立障礙,并且能夠提升作圖能力,一舉多得.

3 新型杠桿實(shí)驗(yàn)儀的拓展應(yīng)用

3.1 常規(guī)用法和斜拉用法

新型杠桿實(shí)驗(yàn)儀在教學(xué)時(shí)可以先從常規(guī)用法入手如圖6(a)所示,杠桿在水平位置平衡,用于探究“杠桿的平衡條件”.這時(shí)候?qū)W生很容易得出錯誤結(jié)論:動力×動力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離=阻力×阻力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離.此時(shí)教師再順勢改變力的方向及力的作用點(diǎn)如圖6(b)所示,造成學(xué)生的認(rèn)知沖突,從而推翻前面的錯誤結(jié)論.教師鼓勵學(xué)生重新進(jìn)行探究,最后得出動力×動力臂=阻力×阻力臂這個結(jié)論.新型杠桿實(shí)驗(yàn)儀從常規(guī)用法拓展到斜拉用法,有效破除了學(xué)生對于力臂概念的錯誤認(rèn)識,而且有利于學(xué)生鞏固杠桿5要素的相關(guān)知識.

圖6 常規(guī)用法和斜拉用法

圖7 異形杠桿

3.2 異形杠桿

圖8 兩力同側(cè)

生活中的杠桿類型多種多樣,直臂杠桿只是其中一小部分,新型杠桿實(shí)驗(yàn)儀的使用彌補(bǔ)了教材實(shí)驗(yàn)的單一,更加貼近學(xué)生的實(shí)際生活(如圖7).如學(xué)生在生活中使用頻率較高的一些器械并非直臂杠桿,如指甲鉗、羊角錘、剪刀等等,可以通過課堂實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生更好地在已有生活經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)杠桿,體會到物理與生活的密切聯(lián)系.

3.3 兩力同側(cè)

新型杠桿實(shí)驗(yàn)儀通過改變定滑輪的位置,將杠桿的動力與阻力置于支點(diǎn)同側(cè)(如圖8),這種模型是對實(shí)驗(yàn)室常規(guī)模型的拓展,也是生活中兩力同側(cè)杠桿的體現(xiàn),例如說船槳、筷子、鑷子等.讓學(xué)生在學(xué)習(xí)了前面幾種杠桿模型的基礎(chǔ)上,自主進(jìn)行該模型的學(xué)習(xí),找出該模型的杠桿5要素,并認(rèn)識到兩個力必須讓杠桿處于不同方向的運(yùn)動時(shí)才能使杠桿保持平衡,掃清杠桿易錯點(diǎn).

3.4 最小力的探究和杠桿的動態(tài)平衡

圖9 最小力的探究和杠桿的動態(tài)平衡

習(xí)題中常常碰見異形杠桿的最小力的作圖題,請學(xué)生畫出作用在某點(diǎn)的最小力的示意圖.在日常教學(xué)中,教師往往教學(xué)生連接該點(diǎn)與支點(diǎn),并過該點(diǎn)作線段的垂線.通過這種方式,學(xué)生能夠很快地掌握題目,但卻不明白背后的原理,違背了物理教學(xué)的初衷,不利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展.使用新型杠桿實(shí)驗(yàn)儀,可以將異形杠桿最小力的求解題目還原,讓學(xué)生自己通過實(shí)驗(yàn),改變力的角度,并讀出不同角度下彈簧測力計(jì)的示數(shù)(如圖9).經(jīng)過探究發(fā)現(xiàn),要使力最小,必須使力臂最長,那么作用點(diǎn)與支點(diǎn)的距離便為力臂的最大值.同時(shí)通過親身體驗(yàn)得出的結(jié)論,使得學(xué)生在畫力的示意圖時(shí)不易搞錯方向,使知識進(jìn)一步內(nèi)化.

杠桿的動態(tài)平衡也是生活中十分常見的現(xiàn)象,當(dāng)杠桿5要素中的某一要素改變,那其他要素會跟著如何進(jìn)行變化呢?新型杠桿實(shí)驗(yàn)儀也可以解決這個問題,通過實(shí)物展示和數(shù)據(jù)的改變,使學(xué)生更直觀地看到每一個要素的變化.先通過實(shí)驗(yàn)觀察各項(xiàng)要素的改變,再結(jié)合杠桿平衡條件進(jìn)行理論分析,實(shí)踐和理論的結(jié)合使學(xué)生更好地理解這一類動態(tài)平衡的問題,順利實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)突破.

4 總結(jié)

針對教科書中“探究杠桿的平衡條件”實(shí)驗(yàn)的不足,設(shè)計(jì)了新型杠桿實(shí)驗(yàn)儀,彌補(bǔ)了原實(shí)驗(yàn)的各類不足,豐富了杠桿實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容,提升了課堂的深度和廣度.最重要的是通過本實(shí)驗(yàn)儀的演示,讓學(xué)生親歷“力臂”概念的形成和發(fā)展過程,使知識由抽象化為形象,由復(fù)雜變簡單，并讓學(xué)生在探究過程中掌握和理解概念,突破各類認(rèn)知誤區(qū).將生活實(shí)際和物理實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合在一起,不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、觀察能力,還將課堂由傳統(tǒng)的傳授式變?yōu)樘骄渴?進(jìn)一步提高了物理課堂的效率.