自制教具在滑轮教学中的应用①

叶志炜 黄树清

(福建师范大学物理与能源学院,福建 福州 350117)

1 引言

“滑轮”是人教版初中物理第十二章第二节的内容,本节主要讲述动滑轮和定滑轮的区别、特点及其在日常生活中的应用。在本节的实际教学中,学生往往不能真正理解滑轮的实质是变形的杠杆,并且对于定滑轮和动滑轮的区别存在认识误区。两种滑轮的支点(转动轴)的确定和滑轮的组合应用也是本节的重难点，为了培养学生的科学思维能力,教师可利用自制教具，引导学生掌握滑轮的相关知识，而自制教具是利用身边的材料,利用简易、合理的方式制作而成的教具。[1]

2 教具的制作与设计

2.1 材料准备

木块、螺丝钉、细线、贴纸、重物、铁架台等。

2.2 制作过程

如图1所示，在木板上画出两个半圆和杠杆轮廓，加工锯出,后期磨平,让它们能够相互契合,为了减小摩擦力,在接触的位置贴上光滑的贴纸,在杠杆的中央钻孔,以方便固定在铁架台上进行展示,在两端钻孔，插入带有圆孔的螺丝钉,用来悬挂绳子进行分析。

图1

3 自制教具在教学中的应用

3.1 滑轮的实质

对于滑轮的实质分析,我们可以先创设一个问题情景:用等臂杠杆将水桶从深井里提出(图2)。学生容易发现：由于井的深度比杠杆大得多,因此当杠杆一端触底后,水桶无法被提出。进而向学生提问：怎样才能提出水桶?如要提出水桶,那么绳子就要被全部拉出,因此引导学生分析：如果杠杆可以旋转起来,绳子就会不断被拉出,那么水桶就可以被提出。所以教师可以提高杠杆位置,使其能够旋转起来,并且当等臂杠杆旋转起来后,从而很容易观察出其形成了圆形,那么我们可以将这个圆形视为无数个同心等长等臂杠杆所组成。根据此思路,将等臂杠杆改装成圆形物体,即为滑轮(图3),使学生理解滑轮的实质就是变形的杠杆。

图2

图3

3.2 学生对定滑轮和动滑轮的认识误区

在开始学习定滑轮和动滑轮时,有部分学生望文生义,以为定滑轮是静止不动的,而动滑轮是运动的。据此,教师便可在滑轮教具上贴一个标记,让学生观察当两种滑轮工作时标记物的运动状态,从而很容易发现定滑轮并不是静止不动,而是会旋转。它的“定”是指工作时它的轴是固定不动的,而动滑轮的“动”是指工作时它的轴是会随着物体运动,这是区分二者的依据。定滑轮和动滑轮在结构上看似相同，根据使用的方式不同,定滑轮和动滑轮的角色是可以互相转化的。

3.3 定滑轮的特点分析

3.3.1 使用定滑轮可以改变力的方向

分别在不使用定滑轮和使用定滑轮的情况下竖直提起重物,比较前后两者拉力情况,学生发现：使用定滑轮可以改变力的方向。

3.3.2 使用定滑轮时不省力

教师进而提问：使用定滑轮的省力情况如何?引导学生根据自制教具思考,可以将滑轮重新变换为杠杆来简化受力分析。将定滑轮模型拆解成等臂杠杆后，学生发现：杠杆的支点在圆心处,即动力臂和阻力臂均等于半径,说明定滑轮的实质是等臂杠杆,它工作时不省力,不费距离(图4)。而在实际使用中还需考虑摩擦力等因素,拉力往往会略大于被拉物体所受的重力。

图4

通过利用自制教具，实现滑轮到杠杆的变换,帮助学生将已有知识与实际应用相结合,有助于提高其思维灵活性。

3.4 动滑轮的特点分析

3.4.1 使用动滑轮不能改变力的方向

教师先不使用动滑轮直接竖直提起重物,再用动滑轮竖直提起重物,可以发现两种情况下拉力的方向相同,即得出使用动滑轮不能改变力的方向。

3.4.2 使用动滑轮可省一半力

为了分析动滑轮的省力情况,找到其支点(转轴)是关键,对于动滑轮支点的确定一直是学生难以理解的地方,部分学生仍会认为动滑轮的支点应与定滑轮一样,也在圆心处。那么利用杠杆平衡条件就会发现：平衡条件并不成立,也就是说动滑轮的支点其实并不在滑轮圆心处。那么动滑轮的支点在哪里?如何找到它?由于动滑轮在工作时,滑轮的各个部分都在运动,那么对于动滑轮而言,它的支点必定是一个瞬时点。

如图5所示,为了方便学生找到支点,教师可以将动滑轮拆解成杠杆,竖直拉动绳子,可以看到杠杆OA以O为中心旋转,即点O为支点。再将杠杆组成动滑轮,确定动滑轮与绳的接触点O为动滑轮的瞬时支点。[2]确定了支点后,可知动力臂为直径,阻力臂为半径,说明动滑轮实质是动力臂为阻力臂两倍的杠杆,省一半力、费距离。在实际使用中还需考虑摩擦力等因素,导致动滑轮往往无法省一半力。[3]

图5

在此过程中利用自制教具展现了滑轮到杠杆、再到滑轮的全过程,帮助学生理解动滑轮瞬时支点的实际位置,逐步理解知识,培养了学生的类比推理能力。

3.5 滑轮在轮轴中的应用

在实际生活中,滑轮往往不会单独使用,而是通过组合的方式形成各种新的物理模型。我们知道一根等臂杠杆连续转动可以成为滑轮,那如果用两根长度不一样的等臂杠杆拼在一起绕着圆心同轴旋转呢?可以看出,此时形成了两个半径不一样的圆。教师可将两个直径不同的自制滑轮教具在现场进行组装,引出新的一种装置——轮轴(图6)。根据轮轴的组成结构来分析:当把重物挂在小圆边缘处,在大圆边缘处用力,那它就是省力杠杆,但费距离。当把重物挂在大圆边缘处,在小圆边缘用力,那它就是费力杠杆,但省距离；若在大圆边缘处用力,就成了等臂杠杆,可以改变力的方向。使学生懂得生活中的门把手和方向盘其实都是利用轮轴模型设计而成。

图6

在该过程中利用轮轴教具，帮助学生学习和掌握轮轴模型的理论分析与实际应用,拉近了物理与生活的距离,有助于提高学生将理论应用于实践的能力。

4 结语

在滑轮教学中利用自制教具“探究滑轮实质演示仪”，可以充分发挥教具将抽象转化为直观的作用,有效提高课堂效率,帮助学生转变错误认知。学生在此过程中逐步掌握力学仪器的原理,在思考中感悟教具改装中的科学方法。