游標(biāo)式力臂測量儀的制作與使用

梁云飛

(盱眙縣第一中學(xué),江蘇 盱眙 211700)

1 問題呈現(xiàn)

蘇科版九年級(jí)物理上冊第十一章“探究杠桿平衡條件”實(shí)驗(yàn)選用如圖1所示的裝置圖[1]，通過改變鉤碼的數(shù)量或位置和彈簧測力計(jì)的位置進(jìn)行探究.

圖1 探究杠桿平衡條件

實(shí)驗(yàn)過程中為了便于直接從杠桿上讀出力臂的大小，要求杠桿水平位置平衡，拉力的方向豎直向下. 此探究過程比較容易得出杠桿的平衡條件，一定程度上降低了教與學(xué)的難度.但是對于改變拉力方向(即拉力方向不再與杠桿垂直)，力臂大小發(fā)生變化，不能從杠桿上直接讀出，只能通過力臂(支點(diǎn)到力的作用線的距離)的概念來說明，缺乏科學(xué)的探究測量過程. 嚴(yán)格地說，通過此實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論還不具有普遍性，尤其是學(xué)生容易將“支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)”與“支點(diǎn)到力的作用線”混淆[2-5]. 鑒于此，本文利用身邊的物品，制作了游標(biāo)式力臂測量儀，能夠較好地測量不同方向拉力的力臂，把“說力臂”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皽y力臂”，把“看結(jié)果”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸剡^程”，效果顯著.

2 游標(biāo)式力臂測量儀的制作

實(shí)驗(yàn)器材：標(biāo)準(zhǔn)刻度尺、硬紙板、小刀、鋼筆、透明抽桿夾、剪刀、細(xì)繩.

制作步驟：

1)取1塊硬紙板，裁剪成450 mm×30 mm的長硬紙板條，用標(biāo)準(zhǔn)刻度尺在硬紙板上標(biāo)出刻度，畫出刻度線，并保證刻度線足夠長，如圖2所示.

圖2 標(biāo)刻度 圖3 透明抽桿夾

2)將透明抽桿夾(如圖3所示)剪成兩小段，打孔穿繩，并固定于紙板上下兩側(cè).

3)在自制刻度尺的0刻度線處打孔，便于其與杠桿上的支點(diǎn)位置重合.

通過以上步驟即可做出自制的游標(biāo)式力臂測量儀. 在制作過程中，透明抽桿夾模擬了天平中的游碼，可以在硬紙板上自由滑動(dòng)，即為自制刻度尺的游標(biāo)，是游標(biāo)式力臂測量儀的關(guān)鍵部分，如圖4所示. 在具體實(shí)驗(yàn)過程中，通過拉直細(xì)線即可確定力臂與力的作用線的垂直關(guān)系. 當(dāng)細(xì)線與刻度線重合時(shí)，表示力臂與力的作用線垂直,此時(shí)可直接讀數(shù)，如圖4(a)所示；當(dāng)細(xì)線偏離刻度線時(shí)，表示力臂與力的作用線不垂直，此時(shí)不能直接讀數(shù)，如圖4(b)所示.

(a)垂直

3 使用游標(biāo)式力臂測量儀測量拉力力臂

根據(jù)杠桿相關(guān)知識(shí)，力臂可以與作用力交于1點(diǎn)，也可以與作用力的反向延長線交于1點(diǎn). 當(dāng)力臂與作用力相交時(shí)，彈簧測力計(jì)與測量儀位于同側(cè)；當(dāng)力臂與作用力的反向延長線相交時(shí)，彈簧測力計(jì)與測量儀位于異側(cè). 本文針對這2種情況分別介紹了自制游標(biāo)式力臂測量儀的使用情況.

3.1 彈簧測力計(jì)與測量儀位于杠桿同側(cè)

彈簧測力計(jì)與測量儀位于同側(cè)可以分為2種情況，這2種情況在測量力臂的過程中均不需要使用游標(biāo)，如圖5(a)和5(b)所示.

(a)拉力方向?yàn)樽笙?/p>

1)令自制游標(biāo)式力臂測量儀的0刻度與支點(diǎn)重合，使之固定并能夠自由旋轉(zhuǎn)；

2)拉動(dòng)彈簧測力計(jì)，確定方向后，通過旋轉(zhuǎn)測量儀讓測量儀的刻度線與彈簧測力計(jì)的秤鉤桿保持在1條直線上(重合或平行)；

3)讀出測量儀上0刻度處到刻度線的距離，該距離即為拉力力臂大小.

3.2 彈簧測力計(jì)與測量儀位于杠桿異側(cè)

彈簧測力計(jì)與測量儀位于異側(cè)，也分為2種情況，這2種情況在測量力臂的過程中需要使用游標(biāo)，如圖6(a)和6(b)所示. 在實(shí)驗(yàn)過程中，通過移動(dòng)游標(biāo)使細(xì)繩與彈簧測力計(jì)的秤鉤桿保持在1條直線上，且保證細(xì)繩與測量儀上的刻度線平行，這樣就可以在測量儀上直接讀出0刻度處到刻度線的距離，即拉力力臂大小.

(a)拉力方向?yàn)橛蚁?/p>

4 數(shù)據(jù)記錄

通過上述實(shí)驗(yàn)可得到如表1所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 通過表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到以下結(jié)論：動(dòng)力F1與動(dòng)力臂l1的乘積近似等于阻力F2與阻力臂l2的乘積. 該結(jié)論在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)符合杠桿平衡條件. 因此，證明本文自制的游標(biāo)式力臂測量儀可以直接用來測量拉力的力臂. 讓學(xué)生自制實(shí)驗(yàn)儀器及演示測量過程，有助于學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)力臂的概念. 該過程不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)造能力，還有利于提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng).

表1 F2=1.0 N時(shí)探究杠桿平衡條件數(shù)據(jù)表

5 實(shí)驗(yàn)變量與重點(diǎn)遷移

教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，自變量為阻力、阻力臂、動(dòng)力臂，因變量為動(dòng)力. 與之相比，由于拉力的方向不再沿豎直方向，使用游標(biāo)式測量儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)時(shí)，動(dòng)力的大小依然為因變量，而動(dòng)力的方向轉(zhuǎn)變?yōu)樽宰兞?，?dòng)力臂則由自變量轉(zhuǎn)變?yōu)橐蜃兞? 這種變化使得實(shí)驗(yàn)探究的重點(diǎn)發(fā)生偏移，由強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)平衡中動(dòng)力變化轉(zhuǎn)為強(qiáng)調(diào)力臂概念的精準(zhǔn)建立，既是教材活動(dòng)的補(bǔ)充，也為結(jié)論的普遍性提供了實(shí)踐基礎(chǔ).

5.1 教材中的“3+1”變量——強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)平衡中動(dòng)力變化

在調(diào)節(jié)好杠桿平衡后，教材中給出了3個(gè)重要活動(dòng)：保持鉤碼和彈簧測力計(jì)的位置不變，改變鉤碼的數(shù)量；保持鉤碼的數(shù)量和位置不變，改變彈簧測力計(jì)的位置；保持彈簧測力計(jì)的位置和鉤碼的數(shù)量不變，改變鉤碼的位置[1]. 保持F2,l2,l1中的2個(gè)量不變，改變另1個(gè)量，觀察彈簧測力計(jì)的示數(shù)，即動(dòng)力的變化. 這里降低了特殊力臂的測量要求，強(qiáng)調(diào)了動(dòng)態(tài)平衡中動(dòng)力的變化情況，對于解決動(dòng)力變化(包括最小力在內(nèi))的相關(guān)題型做了鋪墊.

5.2 使用游標(biāo)式測量儀的“3+2”變量——強(qiáng)調(diào)力臂概念的精準(zhǔn)建立

在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對學(xué)生有更高的能力要求，重心從觀察“彈簧測力計(jì)示數(shù)大小”轉(zhuǎn)為“測量不同方向上拉力力臂大小”. 保持F2,l2,F1的方向中2個(gè)量不變，改變另1個(gè)量，觀察彈簧測力計(jì)示數(shù)，即動(dòng)力F1大小，并讀出動(dòng)力臂l1.

6 結(jié)束語

游標(biāo)式力臂測量儀具有取材方便、結(jié)構(gòu)簡單、便于攜帶、操作方便、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，該測量儀能夠測量任一方向拉力的力臂，并能夠幫助教師在課堂教學(xué)中把“說力臂”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皽y力臂”，把“看結(jié)果”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸剡^程”. 該測量儀的制作過程及測量拉力力臂過程體現(xiàn)了物理是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科的特點(diǎn)，提升了學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，有利于學(xué)生在認(rèn)識(shí)力臂后對杠桿平衡條件的探究. 物理學(xué)科的特色莫過于一個(gè)個(gè)匠心獨(dú)運(yùn)的實(shí)驗(yàn). 教師要善于從日常生活中觸手可及的器具中開發(fā)實(shí)驗(yàn)器材，采用簡單樸實(shí)的方式展現(xiàn)復(fù)雜過程或抽象問題中的真實(shí)物理內(nèi)涵，激發(fā)學(xué)生的學(xué)科興趣以及求知和探索欲望，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)生的學(xué)科素養(yǎng)[2]，也讓課堂中的教與學(xué)充滿物理學(xué)科的“味”，從而提升學(xué)生在物理學(xué)科中的“品”.