力臂演示器的设计制作

张新旭 王文清

(内蒙古科技大学包头师范学院，内蒙古 包头 014000)

力臂演示器的设计制作

张新旭 王文清①

(内蒙古科技大学包头师范学院，内蒙古 包头 014000)

运用带均匀小孔的ABS板，设计、制作的“力臂演示器”可以帮助学生在实验探究过程中认识到力对杠杠的转动作用与“力臂”的关联，进而为学生建构“力臂”概念奠定基础.

力臂；演示器；制作

在初中物理教学中，学生建构“力臂”概念时存在一定困难.一线教师为了让学生通过实验探究来建构“力臂”的概念，设计、制作了相应实验装置，主要有以下两类：

第一，如图1是教学中常用的“探究杠杆平衡条件”的实验装置，它的主要作用是探究杠杠的平衡条件.因杠杆平衡恰在水平位置，此时“支点到力的作用点的距离”与“支点到力的作用线的距离”恰好重合，这容易引起学生对“力臂”概念的错误理解.

第二，对前一装置的改良，大概有以下三种：

(1) 如图2所示，用弹簧测力计代替杠杆一侧钩码；在支点处安装一个可以旋转、伸缩的装置标志“力的作用线”和“力臂”.

此实验装置的不足是：手动控制弹簧测力计时稳定性差，实验原理的解释比较复杂.

(2) 如图3所示，在支架上装上一个定滑轮，杠杆的右端固定一个细绳使其通过定滑轮悬挂钩码，由支点到细绳的距离来标志“力臂”.

此实验装置的不足是：实验装置需要让学生理解定滑轮的作用后才能进行实验探究，而讲述滑轮的工作原理要应用到杠杆原理，在知识顺序上不够合理.同时“力臂”的标志不够明显.

图3

(3) 如图4所示，杠杆右侧与水平方向呈30°夹角，两端安装配重夹，使杠杆平衡.画出“力的作用线”，以标志“力臂”.

图4

此实验装置的不足是：采用带有配重夹的弯折杠杆会使学生产生疑问.在标志“力的作用线时”需将杠杆移动至黑板上，使操作过程变得繁琐.

通过对以上实验装置的分析、借鉴，笔者设计、制作了“力臂演示器”，如图5所示，此实验装置操作过程简单，对“力的作用线”的标志更加明显，学生利用生活经验和现有的知识水平，就可以进行实验探究，易于帮助学生认识力对杠杠的转动作用以及力臂的概念.

1 制作材料

铁架台一个，长347mm、宽60mm、带均匀小孔(小孔直径3mm)的ABS板材一块，外径5mm、内径4mm、长32mm的玻璃管一根，铝丝两根等.

2 装置结构

如图5所示，取一块带均匀小孔(小孔大小相同，小孔的间距也完全相同)的ABS板作为杠杆，在板的上方正中固定一个水平仪，通过观察水平仪中液泡，可以确定杠杆处于水平平衡状态；取一个铁架台作为支架，将一个大小适中的螺丝固定在铁架台上；ABS板上横向小孔数为奇数，中间位置一竖排小孔均可套在铁架台的杆上作为支点，在两侧悬挂两个完全相同的细铝丝挂钩用于悬挂钩码.

图5

3 制作方法

图6

(1) 杠杆的制作

如图6所示，所取ABS板，横向89个小孔，竖向13个小孔，使板材中间位置竖排任一小孔套在铁架台的杆上时，可处于平衡状态.为了便于观察，将板材每三横排小孔和每七竖排小孔的相交处作为悬挂挂钩的小孔，用记号笔将其标志出来.

(2) 水平仪的制作

如图7所示，在玻璃管的一端涂上大力胶，待其凝固之后，向玻璃管内加水并留有适量的空气，将玻璃管的另一端也涂上大力胶、封口.

图7

4 操作方法

(1) 组装演示装置，取适量钩码，用挂钩挂在支点左右两侧同一横排黑线所标志的小孔上，使杠杆处于平衡状态；

(2) 保持左侧挂钩悬挂位置不变，将右侧挂钩悬挂点左右移动，观察杠杆是否平衡；

(3) 保持左侧挂钩悬挂位置不变，再将右侧挂钩悬挂点上下移动，观察杠杆是否平衡；

(4) 让学生思考：为什么右侧砝码悬挂点左右移动时杠杆不平衡，而上下移动时(力的作用点发生了变化)杠杆依然平衡？由此分析并认识“支点到力的作用线的距离”对杠杆的转动作用，进而建立“力臂”的概念.

5 结语

本演示装置的杠杆支点及力的作用点均可以有多种选择，而力的作用线的标志更加明显.在帮助学生认识力对杠杠的转动作用与“支点到力的作用线的距离”的关联时，更加方便、简明.

[1] 姜兰，孙伟.平面镜成像实验和引入力臂实验的改进[J].基础教育研究，2013，(6).

[2] 王爱生.利用生活经验突破“臂教”难点初探[J].中学物理教学参考，2005，(8).

[3] 卢军委.创设“冲突”情景 建构“力臂”概念[J].物理教师，2013，(6).

[4] 朱向阳.通电平行直导线相互作用演示装置[J].物理之友，2015，(3).

①名师简介：王文清(1962— )，男，山西保德人，博士，内蒙古科技大学包头师范学院副教授、硕士生导师,《物理之友》编委，主要研究物理课程与教学论.