裴會(huì)明 權(quán)亮

摘要：新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)器材可以直觀地讀出力臂和力，實(shí)驗(yàn)前可先畫(huà)出力的作用線，學(xué)生對(duì)于力臂和力的作用線的正確理解有很直接的幫助；新實(shí)驗(yàn)裝置不但可以探究得出普遍意義下的杠桿平衡條件，還能定量地探究得出最省動(dòng)力的方向；新的實(shí)驗(yàn)器材可以很好地幫助學(xué)生理解杠桿的多樣性和平衡，也有利于學(xué)生對(duì)滑輪的理解和教學(xué)。

關(guān)鍵詞：杠桿；平衡條件；實(shí)驗(yàn)器材；改進(jìn)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1992-7711（2014）09-0131

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，好的實(shí)驗(yàn)器材不但能幫助學(xué)生得出普遍意義下的重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)論和物理規(guī)律，還可以幫助學(xué)生理解相關(guān)的物理概念，對(duì)其他相關(guān)章節(jié)的教學(xué)也將會(huì)起到幫助作用。

一、現(xiàn)存實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法的局限性分析

（新人教版）九年級(jí)物理教科書(shū)第十三章第四節(jié)杠桿一節(jié)，設(shè)有“探究杠桿平衡條件”的實(shí)驗(yàn)，課本采用了如圖一所示的實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置雖然巧妙地把力臂都置于杠桿之上，方便直接讀出力臂的值，但此裝置由于支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離跟支點(diǎn)到力的作用線的距離相重合，從而存在著力的作用點(diǎn)跟力的作用線相混淆的嫌疑。為避此嫌，有些教師則采用如圖二所示的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但此裝置的彈簧測(cè)力計(jì)的拉力的力臂并不落在杠桿上，顯得又不直觀，這種改變就有些顧此失彼。

以上兩種實(shí)驗(yàn)裝置，很難探究出普遍意義下的杠桿平衡條件，實(shí)驗(yàn)得出的僅僅是在直杠桿在水平位置平衡時(shí)的特定條件下的一個(gè)結(jié)論，兩裝置共同缺陷有四：一是對(duì)（如圖三、圖四等）杠桿的多樣性理解不夠；二是不能直觀地在器材上同時(shí)顯示力臂和力的作用線，不利于理解力的作用線等概念，對(duì)學(xué)生老出錯(cuò)的力臂作圖沒(méi)有有效糾正；三是無(wú)法定性的探究出（如圖五等）情況下的最省的動(dòng)力，對(duì)于多數(shù)學(xué)生不太理解的最省動(dòng)力及其作圖得不到幫助；四是對(duì)于滑輪教學(xué)沒(méi)有啟迪性。

筆者根據(jù)平時(shí)的積累和思考，對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了有益的改進(jìn)：筆者新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)器材能克服以上所述的諸多缺陷，是一個(gè)較為理想的實(shí)驗(yàn)裝置，現(xiàn)把自己的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法陳述于后，不足之處，希望專家和同仁不吝賜教。

二、主要新實(shí)驗(yàn)器材的制作和用途介紹

1. 白色硬塑料光滑圓盤(pán)：中間開(kāi)有直徑為2mm圓孔，質(zhì)量分布均勻，圓盤(pán)直徑為21cm，厚約0.5cm。在圓盤(pán)上均勻畫(huà)出相鄰?qiáng)A角相等的若干條直徑，再畫(huà)出半徑分別是2cm、4cm、6cm、8cm和10cm的一組同心圓，在半徑和圓周的每個(gè)交點(diǎn)處開(kāi)有略大于針眼的小圓孔，以普通棉線能自由穿出為宜。那么，小孔所在的圓半徑就是力臂，小孔所在點(diǎn)圓的切線就是力的作用線。如圖六所示。2. 棉線兩條。3. 小鉤碼一盒。4. 量程適當(dāng)?shù)膹椈蓽y(cè)力計(jì)一個(gè)。5. 光滑金屬圓桿：金屬桿直徑略小于2mm，使得其能在圓盤(pán)中央孔中自由穿過(guò)，并能保證圓盤(pán)在豎直平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)為宜。

三、新實(shí)驗(yàn)過(guò)程方法概述

1. 實(shí)驗(yàn)探究杠桿平衡條件

將光滑金屬圓桿水平固定在鐵架臺(tái)的上端，在圓盤(pán)上任選倆小孔，過(guò)小孔用直尺彩筆畫(huà)出小孔所在圓的切線，將圓盤(pán)中心圓孔套在金屬桿上，圓盤(pán)能在豎直平面內(nèi)自由自由轉(zhuǎn)動(dòng)為宜，再將兩根棉線分別穿過(guò)選定小孔，并把兩頭打結(jié)成線套，在其中一個(gè)線套上掛上幾個(gè)鉤碼，另一個(gè)線套用調(diào)好的彈簧測(cè)力計(jì)的掛鉤勾住，再讓棉線沿著切線方向緩慢拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)，使得掛鉤碼棉線與對(duì)應(yīng)小孔所在的切線剛好重合時(shí)，圓盤(pán)保持靜止，掛鉤碼小孔所在的半徑為阻力臂，拉彈簧測(cè)力計(jì)小孔所在的半徑為動(dòng)力臂，鉤碼的重力等于阻力，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)等于動(dòng)力。如上所述，換用不同小孔連續(xù)進(jìn)行多次以上實(shí)驗(yàn)，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析出杠桿平衡平衡條件：F1L1=F2L2（如圖六所示）。

2. 實(shí)驗(yàn)探究最小動(dòng)力的方向

在圓盤(pán)的左邊任選一個(gè)小孔畫(huà)切線、穿棉線并打結(jié)，并掛上鉤碼，在圓盤(pán)右邊的次外圓周上任選一個(gè)小孔畫(huà)切線、穿棉線并打結(jié)，并用彈簧測(cè)力計(jì)掛鉤勾住，拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)使得棉線分別與從小到大圓相切，使得阻力作用點(diǎn)跟支點(diǎn)在同一水平高度，分別記下彈簧測(cè)力計(jì)的數(shù)值，進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：當(dāng)動(dòng)力垂直于支點(diǎn)和動(dòng)力作用線時(shí)，動(dòng)力最小（如圖七所示）。

四、新實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

1. 實(shí)驗(yàn)測(cè)量具有任意性和多樣性，得出的結(jié)論更具普遍性

（1）該實(shí)驗(yàn)裝置有若干個(gè)小孔，任意兩個(gè)小孔就可以得到一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該裝置可以得到成百上千組數(shù)據(jù)，比原實(shí)驗(yàn)裝置可供選擇的機(jī)會(huì)多得多，因此對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)論就有多次驗(yàn)證的機(jī)會(huì)。（2）彈簧拉力方向可向上向下和水平方向，避免了動(dòng)力方向的單一性。因此，新裝置得到的結(jié)論更具有普遍性。

2. 便于更好地理解杠桿

（上接第131頁(yè)）

杠桿是可以繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的硬棒，其形狀具有多樣性。大體可分為支點(diǎn)、動(dòng)力作用點(diǎn)、阻力作用點(diǎn)三點(diǎn)共線和三點(diǎn)共面兩種。新的實(shí)驗(yàn)器材就可以很好地體現(xiàn)這兩種杠桿。新實(shí)驗(yàn)器材以圓盤(pán)中心孔（支點(diǎn)），掛鉤碼的小孔位置（阻力作用點(diǎn)），彈簧測(cè)力計(jì)拉力所在小孔位置（動(dòng)力作用點(diǎn)）三者之間畫(huà)出不同的封閉圖案，就能代表杠桿式樣。封閉圖案以外的部分，是用于平衡杠桿重力矩的。

3. 便于理解杠桿平衡

杠桿平衡狀態(tài)要么是靜止要么是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，而不是在原實(shí)驗(yàn)中的水平位置的平衡。該實(shí)驗(yàn)裝置不但可以演示得出杠桿在任何位置的靜止平衡時(shí)的平衡條件，還可以用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)演示杠桿得出杠桿緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)平衡時(shí)的平衡條件。避免了杠桿只能在水平位置平衡的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的發(fā)生。

4. 便于滑輪的教學(xué)

整個(gè)圓盤(pán)就是支點(diǎn)、動(dòng)力作用點(diǎn)和阻力作用點(diǎn)三者之間的最大封閉圖形，也就是圓盤(pán)也是一個(gè)杠桿，而可轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤(pán)也是滑輪，對(duì)于滑輪的認(rèn)識(shí)和教學(xué)將起到承上啟下的作用。

5. 便于讀數(shù)和正確理解力的作用線和力臂

該實(shí)驗(yàn)器材巧妙的利用了圓的半徑跟切線相垂直的特點(diǎn)，也用到了同心圓的特點(diǎn)，使得每個(gè)圓的半徑都可以是力臂，而且一目了然，實(shí)驗(yàn)時(shí)讓學(xué)生畫(huà)出力的作用線（切線），不但為實(shí)驗(yàn)時(shí)把握力的方向具有導(dǎo)向作用，而且有助于強(qiáng)化學(xué)生對(duì)力的作用線和力臂的理解。

6. 該實(shí)驗(yàn)器材具有取材方便、制作簡(jiǎn)單、用途廣泛、操作方便、現(xiàn)象直觀等優(yōu)點(diǎn)。

五、延伸

如果給圓盤(pán)配上夾板掛鉤，再在圓盤(pán)外邊上開(kāi)有0.5cm的槽，就又是一個(gè)滑輪模型，利用圓盤(pán)上的切線，使學(xué)生可以直觀地理解滑輪的支點(diǎn)和力臂。

總之，新的實(shí)驗(yàn)器材不但能得出普遍意義下的杠桿平衡條件，還能演示得出最省動(dòng)力的方向，對(duì)于學(xué)生全面的學(xué)習(xí)和理解簡(jiǎn)單機(jī)械的概念和規(guī)律大有裨益，因此，新的實(shí)驗(yàn)裝置可以說(shuō)是一個(gè)較為理想的實(shí)驗(yàn)器材，希望同行不妨一試。

（作者單位：①甘肅省隴西縣喬門學(xué)校 748000；②甘肅省隴西縣文峰初中 748000）