“探究杠杆平衡条件”实验的价值最大化

倪金兰

（杭州市锦绣中学，浙江 杭州）

在探究杠杆平衡条件的实验中，为了方便从杠杆上直接读取力臂的大小，在实验的过程中，老师总是让杠杆在水平位置达到平衡，这种特殊情形下的教学，在学生的头脑中容易形成从支点到力的作用点的距离就是力臂的表象意识，从而存在着力的作用点跟力的作用线相混淆的缺陷。为了让实验器材能得出杠杆平衡条件，也为了让学生正确理解力臂和力的作用的概念，笔者特别增加了一组实验。

一、正确认识力臂

如图1所示，在杠杆左侧A处挂钩码，在杠杆右侧C处挂钩码，使杠杆在水平位置平衡；保持左侧所挂钩码的位置和个数不变，改变右侧钩码的位置，调整钩码的个数，使杠杆在水平位置重新平衡。提问：我们仔细观察，作用在杠杆上的力是什么方向？作用在杠杆的力都是竖直向下的，那我可以认为力臂是支点到力作用点的距离？可以吗？这时，学生肯定知道是不对的。接下来，就让学生自己设计实验。

作用在杠杆的拉力方向总是竖直向下，导致支点到力的作用线的距离和支点到力的作用点的距离重合，所以很多学生都会想到利用弹簧测力计斜拉使杠杆在水平位置平衡，如图2所示，从而可以使弹簧测力计的力臂不在杠杆上，出现力臂和支点到力的作用线的距离出现不同的现象，这样就能直观夺形成思维冲突，方便学生正确认识力臂的定义，是支点到力作用线的距离。而非支点到力的作用点的距离。

此时，教师可以出示一段带有圆孔的刻度尺，将刻度尺的圆孔和支点重合，旋转刻度尺，使刻度尺与弹簧测力计的刻度板保持垂直关系，那么图3中动力臂L1就可以直接从刻度尺上读出。

图1

图3

二、寻找最小动力的方法

教材中的这套实验装置除了可以正确的认识力臂之外，也能寻找最大动力臂和最小动力。在平常的教学过程中，教师均是通过F1L1=F2L2的公式，理论的分析在F1、L1不变情况下，L2最大时，所对应的力F2是最小的。学生虽然可以理解，但是缺乏直观，形象的视觉记忆。让学生在完成上述实验的基础上利用弹簧测力计更近一步地发现作用在杠杆上最小力时特点。

做完上述实验之后，教师立即提问：在杠杆上斜拉弹簧测力计帮助我们正确了认识了力臂的概念，但是我们仍然不满足，如果我们让这个力运动起来，你会发现什么？这时，结合板书或PPT出示如图的实验装置，在杠杆的同一点，改变弹簧测力计拉力的方向使杠杆平衡，让学生完成实验并记录下三次位置时示数的大小。

图2

师生一起分析和讨论得到的数据，会发现F2的数值最小，而后让学生在纸张上做出F1、F2、F3的示意图，并且分别做出从支点到 F1、F2、F3的作用线的距离即力臂 L1、L2、L3。比较 F1、F2、F3的大小，比较L1、L2、L3，的大小。找出力的大小与力臂的变化关系，从而让学生发现“最小动力”“最大动力臂”的关系。再从F1L1=F2L2的公式，理论的分析，加深理解。

真实的实验操作形象直观的数据体验，让学生寻找最小动力的方法，在实验操作和理论分析中进一步深化认识杠杆的平衡条件，实现学生知识结构上的突破和发展。

“探究杠杆的平衡条件”这个实验是《义务教育物理课程标准》提出的必做实验之一，在学生完成这个实验之后，利用同一套实验器材，让学生完成重新设计的两个实验，更深一层认识力臂的概念和求最小动力的方法。把“探究杠杆的平衡条件”这个实验的利用价值达到最大化。