探究杠桿平衡的條件實驗改進與教學

摘 要：針對教材中探究杠桿平衡條件的實驗裝置中存在的問題，提出三個改進方案：首先，用重錘線和圓盤上的水平線，幫助準確判斷杠桿是否處于水平狀態(tài);其次，通過探究直臂杠桿在水平和非水平位置平衡及曲臂杠桿在水平位置的平衡條件能使實驗結論更具有普遍性;再次，通過曲臂杠桿及改變直臂杠桿上的動力方向使兩種杠桿在水平位置平衡，幫助學生深刻認識力臂的概念.最后，實驗的改進在教學中不僅能有效突破教學中的重難點，還能促進學生深度學習.

關鍵詞：杠桿平衡的條件;力臂;深度學習;實驗教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）18-0033-03

基金項目：江西省教育科學“十三五”規(guī)劃2020課題“以創(chuàng)新實驗促進初中物理深度學習的實踐研究”（項目編號：20PTYB190）.

作者簡介：江耀基（1976-），男，江西安福人，本科，中學高級教師，研究方向：物理教學和實驗教學.

1 教材實驗中存在的缺陷

探究杠桿平衡的條件是人教版八年級物理（下冊）第十二章第1節(jié)“杠桿”中的學生分組探究實驗.它既是本節(jié)課的教學重點，同時實驗中的測量力臂也是學生的學習難點.為了突破這個知識點，教材上安排了如圖1所示的實驗裝置.首先，調(diào)節(jié)杠桿兩端的平衡螺母使杠桿在不掛鉤碼時，保持水平并靜止，達到平衡狀態(tài);接著，給杠桿兩側掛上不同數(shù)量的鉤碼，移動鉤碼的位置，使杠桿重新在水平位置平衡，這時杠桿兩側受到的作用力等于各自鉤碼所受的重力，讀出此時杠桿兩端的動力F1和阻力F2及對應的動力臂L1和阻力臂L2;改變動力F1和動力臂L1的大小，相應調(diào)節(jié)阻力F2和阻力臂L2，再做幾次實驗，把測得的實驗數(shù)據(jù)填入表格[1].

筆者在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，利用此實驗裝置進行教學時存在三個缺陷：（1）實驗中杠桿的水平平衡位置沒有判斷依據(jù)，全憑學生的直觀感覺，實驗的可信度不強;（2）實驗中只研究了杠桿始終處于水平，力的作用線的方向處于豎直一種情形下的杠桿平衡，這樣得出的實驗結論不具有普遍性;（3）實驗中的力臂都是從杠桿上直接讀取，勢必有造成力臂是從支點到力的作用點之間的距離之嫌，不利于學生進一步認識力臂的本質.

2 改進創(chuàng)新實驗方案

2.1 改進創(chuàng)新實驗裝置

2.1.1 實驗材料

直徑為40cm、厚為1.8cm的圓形木板1塊、直徑為40cm帶刻度線的圓形背貼紙1張、直臂杠桿1根、曲臂杠桿1根（自制）、60cm×8cm木板支架1塊、30cm×30cm木板底座1塊、上邊13cm下邊38cm高22cm梯形固定木板1塊、合頁2個、彈簧測力計1把、鉤碼1盒、釘子若干個、3cm×20cm直角三角形固定木板1塊、502膠水1瓶、長為5cm直徑為3mm的長螺絲1個、棉線1卷、彩色透明膠1卷以及紅色記號筆1根.

2.1.2 制作方法

（1）切一塊直徑為40cm的圓木板，用電鉆在木板的圓心處鉆1個直徑為3mm的孔.

（2）制作一張直徑為40cm帶刻度線（刻度線間距為1cm）的圓形背貼紙，將帶刻度線的背貼紙緊貼在圓形木板上，要求帶刻度的背貼紙面和圓盤完全重合，再用釘子在背貼紙的圓心鉆個小孔，使得小孔與圓盤小孔完全一致，不能有偏差（如圖2所示）.

（3）用釘子將支架豎直固定在底座上的中央，然后用502膠水將直角三角形木塊兩個直角邊分別固定在豎直的支架木板上和水平底座上（如圖3所示）.

（4）用電鉆在距離支架頂端2cm中心位置鉆個直徑為3cm的小孔，然后用5cm的長螺絲穿過支架和圓形木板小孔，將支架和圓盤固定在一起，圓盤可繞著螺絲轉動，此時長螺絲即是杠桿的支點.

（5）用棉線懸掛一個螺絲作為重錘線，并把重錘線掛在支點處的長螺絲上（如圖4所示）.

（6）沿著圓盤直徑上方粘一條彩色透明膠帶，作為杠桿水平平衡參考線.

（7）將直臂杠桿或曲臂杠桿穿在作為支點的長螺絲上，并用螺母固定好，但不能固定太死，讓杠桿能在豎直平面內(nèi)自由轉動.

（8）將梯形測力計固定在木板較細的一端并用合頁與底座固定，且在固定板沿豎直向上翻時，固定板剛好與支架完全重合（如圖5所示）.

2.1.3 實驗裝置結構圖

改進創(chuàng)新后的探究杠桿平衡的條件的實驗裝置如圖6所示.

2.2 改進創(chuàng)新實驗方案

針對缺陷（1）：通過重錘線和彩色透明膠，讓杠桿在水平位置平衡有準確的判斷依據(jù).在杠桿的支點處（螺絲上）掛一個簡易的重錘線，使重垂線與圓盤上的零刻度線完全重合，此時圓盤中間直徑就處于水平位置，實驗時讓杠桿與圓盤的直徑或彩色透明膠帶重合，杠桿就處于水平位置;通過探究多種情形下的杠桿平衡，能使得出的實驗結論更具有普遍性.

針對缺陷（2）：利用改進后的杠桿實驗裝置，可以探究杠桿處于水平平衡（作用力處于豎直方向），杠桿處于水平平衡（動力沿著斜向下方向），杠桿處于非水平平衡及曲臂杠桿的水平平衡四種情形的杠桿平衡實驗，從而使得出的實驗結論更具有普遍性，避免了偶然性;通過探究多種杠桿的平衡條件，能幫助學生有效建構力臂的物理概念.

針對缺陷（3）：在探究直臂杠桿處于水平平衡，但動力沿著斜向下方向拉時，通過轉動圓盤，使得動力作用線與圓盤上的刻度線完全對齊，就可以讀出此時的力臂，如圖7所示.再通過探究直臂杠桿在非水平平衡與曲臂杠桿在水平平衡，能讓學生進一步認識力臂的本質，幫助學生建構力臂的物理概念.

3 用改進的裝置進行實驗教學

實驗步驟如下：

（1）將實驗儀放置在水平桌面上，轉動圓盤，使重垂線與0刻度線完全重合，這時圓盤的水平線與重垂線相互垂直.

（2）調(diào)節(jié)直臂杠桿兩端的平衡螺母，直到杠桿與彩色膠帶水平線完全重合，杠桿處于水平平衡位置（如圖8所示）.

（3）在直臂杠桿的兩端分別掛上數(shù)量不等的鉤碼，調(diào)節(jié)杠桿右側的鉤碼在杠桿上的位置，直到杠桿又與圓盤上的彩色膠帶水平線完全重合，杠桿恢復水平平衡，記下此時的動力F1、阻力F2、動力臂L1和阻力臂L2（如圖9所示）.

（4）改變直臂杠桿上左端鉤碼的位置，右端用彈簧測力計代替鉤碼，通過改變彈簧測力計的示數(shù)，使動力和阻力作用線與圓形刻度盤上的某刻度線完全重合，讓杠桿處于非水平位置平衡，記下此時的動力F1、阻力F2、動力臂L1和阻力臂L2（如圖10所示）.

（5）將彈簧測力計沿著斜向右拉杠桿，使得杠桿保持水平位置平衡，記下此時的動力F1、阻力F2、動力臂L1和阻力臂L2（如圖11所示）.

（6）將直臂杠桿換成曲臂杠桿，調(diào)節(jié)曲臂杠桿兩端的平衡螺母，使得曲臂杠桿在水平位置平衡，然后在曲臂杠桿兩端掛上數(shù)量不等的鉤碼，調(diào)節(jié)鉤碼在曲臂杠桿上的位置，使曲臂杠桿恢復水平平衡，記下此時的動力F1、阻力F2、動力臂L1和阻力臂L2（如圖12所示）.

（7）把測得的實驗數(shù)據(jù)記錄表格1中.

分析上述實驗數(shù)據(jù)可知：杠桿平衡的條件是：動力×動力臂=阻力×阻力臂，公式表示為F1L1=F2L2.

4 結語

通過本實驗的改進與創(chuàng)新，讓杠桿在水平位置平衡有了判斷依據(jù)，有利于培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度;通過探究多種情形下杠桿的平衡，不僅能使得出的實驗結論更具有普遍性，有利于發(fā)展學生科學思維能力，還能讓學生進一步認識力臂的本質，幫助學生建構力臂的概念.總之，通過本實驗的改進與創(chuàng)新，不僅能有效突破教學中的重難點，讓初中物理實驗教學能更加有序、高效地開展，讓學生更積極、主動地參與科學探究過程，幫助學生達成了知識目標，提高了學生的實驗探究能力，促進學生深度學習.還能促進初中物理教學由傳統(tǒng)的講授式教學向科學探究式教學的轉變.通過本實驗的改進與創(chuàng)新，在學生心中播下一顆創(chuàng)新的種子，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神，發(fā)展學生的物理核心素養(yǎng).

參考文獻：

[1]列阿平.通過實驗設計創(chuàng)新 發(fā)展學生物理核心素養(yǎng)——以“探究杠桿的平衡條件”為例[J].物理教學探討，2021，39（05）：32-34.

[2]江耀基.探究平面鏡成像特點實驗裝置改進與教學[J].中學物理，2021，39（08）：28-30.

[3]李明權.淺談物理演示實驗的教學[J].物理教學探討，2005（19）：26.

[4]余菊明.巧設學生活動 強化學習體驗[J].物理教師，2012，33（03）：17-18.

[5]黎東波.重整單元教學目標 落實物理核心素養(yǎng)[J].科學大眾·科學教育，2019（03）：40-41.

（收稿日期：2021-05-18）