浅谈科学探究性实验的教学实施

杨锦悦 任新成

摘 要：根据物理课程标准的要求：科学探究能使学生经历基本的科学探究过程，学习科学的探究方法，发展科学探究的能力，形成尊重事实、探究真理的科学态度。文章借助自制教具进行实验探究，不仅提高了学习的效率，而且培养了学生的科学探究能力。

关键词：科学探究;杠杆;平衡条件

中图分类号：G633.7     文章编号：2095-624X（2019）17-0084-02

一、提出问题

让学生观察公园中水平静止的跷跷板、称质量时水平静止的秤杆、做俯卧撑时静止的运动员等生活中常见的案例。通过观察，提出学生感兴趣的科学问题：在什么条件下杠杆工具会保持平衡并静止？

二、猜想与假设

在提出猜想之前，我们首先分析影响杠杆平衡的因素有哪些？应用生活中常见的情景帮助学生提出合理的猜想。

师：小明和爸爸在公园玩跷跷板，由于小明的体重只有父亲的一半，始终压不动坐在对面的父亲，大家有什么办法能使跷跷板水平静止在空中呢？

生1：让父亲往跷跷板中间移动。

生2：跷跷板比较长的话，也可以让小明往后移动。

生3：找一个体重相当的朋友帮忙，坐在一起压对面的父亲。

生4：让父亲轻轻地压跷跷板或者身体稍微抬高一点点。

师：总结大家给出使跷跷板水平静止的办法：其一是保持小明和父亲的体重不变，让小明往后移动或者让父亲往前移动，就可以实现跷跷板水平静止，在这个过程中动力与阻力不变，改变力臂的大小就可以实现平衡，说明力臂是影响杠杆平衡的一个因素;其二是保持小明和父亲的位置不变，增加压力或者减少压力就可以实现跷跷板水平静止，在这个过程中动力臂与阻力臂保持不变，改变动力或者阻力的大小就实现了杠杆的平衡，说明动力和阻力是影响杠杆平衡的另一个因素。

我们得出结论：动力、动力臂、阻力、阻力臂是影响杠杆平衡的因素，那么杠杆在平衡时，动力、动力臂、阻力、阻力臂到底满足什么关系呢？

猜想1：F1+L1=F2+L2

猜想2：F1-L1=F2-L2

猜想3：F1×L1=F2×L2

猜想4：F1÷L1=F2÷L2

師：在数学中数与数之间最基本的关系即加减乘除;而在物理中当两者所表示的物理量相同时才能相互加减，所以我们可以排除哪些猜想呢？

生：可以排除猜想1和猜想2;猜想3和猜想4无法判断。

师：为了验证猜想是否正确，下面我们制订计划设计实验。

三、制订计划与设计实验

师：提供给大家的实验仪器有钩码、弹簧测力计、刻度尺以及自制的实验教具，结合跷跷板的情景和做俯卧撑的情景，思考以下几个问题，设计实验。

情景1：公园中正在玩跷跷板的小明和爸爸，小明的质量是爸爸的一半，问小明如何压起坐在对面的父亲。

问题1：在跷跷板模型中，用一个钩码表示小明重力，两个钩码表示父亲的重力，如何利用实验器材使杠杆平衡，并且能方便地读出杠杆平衡时力臂的大小？

生：我们用弹簧测力计可以测出钩码的重力或者根据钩码的质量直接计算出重力、用刻度尺可以直接测量力臂的大小，将杠杆调节水平静止时，力臂在杆上，方便测量力臂的大小。

情景2：已知运动员的身高和体重，做俯卧撑时，问胳膊对身体的支持力为多少？

问题2：在俯卧撑模型中，用金属杆表示运动员，我们如何测量出胳膊对身体的支持力？

生：用弹簧测力计可以测出金属杆的自重以及作用在金属杆上竖直向上的拉力，这样就知道了阻力和动力的大小;用刻度尺测出支点到力的作用线的水平距 离，就得出了力臂的大小。

制订计划设计实验：

①在图1的跷跷板模型中，测出钩码的重力和杆的全长。

②如图2，我们通过改变力臂的大小实现杠杆水平静止在空中，测出动力臂与阻力臂的大小，得到杠杆平衡时的一组数据。

③如图3，我们通过改变动力或者阻力的大小实现杠杆的平衡，测出动力臂与阻力臂，得到杠杆平衡时的第二组数据。

④如图4的俯卧撑模型，在组装教具之前，用弹簧测力计测得杆的自重（阻力），将弹簧测力计挂在杆的端点并将杆抬高使其静止在空中，读出拉力的示数（动力），用刻度尺测得支点到力的作用线的水平距离（力臂），得到第三组数据。

四、进行实验与收集数据

教具1：

教具2：

根据设计的实验步骤进行实验，在图1中测得一个钩码重0.5N，杆的全长为40cm;图2通过改变力臂实现了杠杆的平衡，此时动力0.5N、动力臂20cm、阻力1N、阻力臂10cm;图3通过改变动力的大小再次实现了杠杆的平衡，此时动力1N、动力臂20cm、阻力1N、阻力臂20cm;图5杆的自重（阻力）0.76N、阻力臂18cm、弹簧测力计的拉力（动力）0.38N、动力臂36cm。将三组数据记录在表格当中，并分析数据完成表格（见下表）。

五、结论与讨论

通过观察表格中的实验数据以及数据处理，我们发现动力与动力臂的乘积始终等于阻力与阻力臂的乘积。重复多次实验，最后依然得出结论：杠杆的平衡条件为F1×L1=F2×L2。

参考文献：

[1]范应华.唇枪舌战 乐在其中——初中物理《杠杆》教学花絮[J].教育实践与研究，2013（6）.

[2]符东生.利用实验帮助学生建构概念——以“杠杆”教学为例[J].中小学教材教学，2015（10）.

作者简介：杨锦悦（1995—），女，硕士，研究方向：物理课程与教学论。

指导老师：任新成（1967—），男，教授，博士，研究方向：物理课程与教学论。