杠杆演示仪

刘信生，周 江，陶士金

(1.庐江县龙桥镇初级中学，安徽 庐江 231551；2.庐江县柯坦镇陈埠初级中学，安徽 庐江 231500；3.合肥市教育科学研究院，安徽 合肥 230071)

1 传统实验存在的不足

探究杠杆平衡条件实验是初中物理教学的重点内容之一. 无论是演示实验还是分组实验，调节杠杆在水平位置平衡，得出实验结论是杠杆平衡中最简单、最常见的特例，教材只安排简单的探究活动，目的是降低实验探究的难度[1]. 让学生在特殊的情况(水平平衡状态下)进行实验操作，总结得出杠杆平衡原理. 该实验在实际教学中存在以下不足：

1)学生狭义地认为杠杆只有在水平位置才能达到平衡，力臂就是支点到力的作用点之间的长度.

2)将钩码的重力换作弹簧测力计的拉力，特别是倾斜的拉力作用，其力臂的测量难度较大.

3)即使采用垂直于作用力的刻度尺勉强测量出力臂，也需要多人合作，测量数据误差大.

4)学生在实操中无法体验任意方向拉力的力臂测量，对学生物理思维训练的作用有限，教学效果达不到课程目标中掌握力臂概念和理解杠杆平衡原理的要求.

2 杠杆演示仪的制作方法

如何准确、便捷地测量出力臂是实验需要突破的关键. 将刻度尺的刻度线部分进行改进，制作出单人能轻松且精准测量作用在杠杆上任意方向拉力的力臂的杠杆演示仪，如图1所示.

图1 自制杠杆演示仪

2.1 刻度板的制作方法

在Adobe Photoshop图像处理软件的界面上选取与A4纸长和宽相同的尺寸，画出分度值为1 mm的刻度尺，将刻度线沿横向2等分，将0刻度线置于界面中央位置(粗红线)，再以0刻度线为对称轴左右对称的位置标出以mm为单位的刻度，两侧的量程均为15 cm，两侧相对应的刻度中，每隔1 cm用实线连接，每1 cm中间用虚线等分，在实线间标上刻度的数值. 将设计好的特殊“刻度尺”彩色打印在A4纸上，用塑封机塑封好，如图2所示. 再用打孔器在零度线处打上小孔做成刻度板备用.

图2 自制刻度板

2.2 杠杆演示仪的组装

首先将演示杠杆支架竖直固定在铁架台直杆上，将自制刻度板的小孔先穿入铁架台上固定杠杆的转轴，再在转轴上旋入螺母，前后2枚螺母挤压刻度板的松紧度适度，达到用手转动刻度板且放手后刻度板可以在任何角度保持静止为宜. 然后将细线悬挂的重锤线系在转轴上，调节刻度板，使刻度板的0刻度红线与重垂线重合，再穿上轻质演示杠杆. 最后旋上杠杆的支点固定螺母. 在杠杆两侧可移动的悬挂点下分别系好带有挂钩的深色棉线，目的是方便加挂钩码.

取600 mm×800 mm×8 mm透明亚克力板1块，将亚克力板做成“Y”字形，两侧对称地镂空成圆弧状槽. 取实验室中去掉外框的塑料滑轮2枚，分别用螺杆穿过2枚滑轮的轴心和亚克力板的圆弧状槽，再用螺母在槽的背面旋入螺杆，悬挂好左右两侧的滑轮，通过调节螺杆上螺母的松紧保证两滑轮可以固定在圆弧形槽内任意位置，再把下方板面切掉，目的让钩码能悬空. 在亚克力板的中间靠正下方打2个孔，便于用螺丝将亚克力板竖直地固定在铁架台上，前后调节板面，使演示杠杆与其在同一竖直面内.

3 刻度板测力臂的原理

如图1所示，当刻度板的0刻度线处的小孔与轻质杠杆的支点共轴，则在杠杆左右两侧悬挂重物保持水平方向静止时，两侧的力臂可以从水平放置的刻度板上直接读出. 当作用在杠杆两侧的拉力不与杠杆垂直时，如图3所示，轻质杠杆在F1和F2的作用下保持平衡. 此时先顺时针转动刻度板[图3(a)]，使刻度板上的刻度线与拉力F1作用线平行，根据力臂的定义，用虚线作出力F1对应的力臂，再将虚线平移到刻度板对边的刻度线上，发现它们与刻度板0刻度线、拉力F1作用线延长线构成矩形. 根据矩形对边相等的性质，此时F1力臂大小就是刻度板上的刻度线与拉线重合的刻度尺的示数(读数时的视线一定要与刻度板垂直)，记为L1. 同理，图3(b)中F2的力臂大小就是刻度板上刻度线与拉线重合的刻度尺的示数，记为L2.

(a)

4 使用杠杆演示仪探究杠杆平衡条件

4.1 调节刻度板，杠杆水平平衡

将2根等长一端系有回形针做的挂钩、一端系在杠杆两侧挂重物的提纽的深色棉线自然垂下，调节提纽到支点的距离相等. 轻轻转动刻度板，使刻度板的0刻度红线与重垂线重合. 调节杠杆两端的螺母，使杠杆在水平位置平衡.

4.2 探究实验

1)将2根棉线分别绕过固定在滑槽中的滑轮，分别在左右挂钩下加挂1个(0.5 N)和2个钩码(1.0 N)，移动杠杆上的悬挂提纽，调节杠杆再次在水平位置静止.

2)顺时针转动刻度板，使刻度板上的刻度线与左侧力的作用线(细线)平行，眼睛正视刻度板(找到细线与刻度线重合的位置)，读出左侧作用力的力臂L1.

3)再逆时针转动刻度板，采用2)的方法，读出右侧作用力的力臂L2.

4)改变细线挂钩下重物的物重(分别在左、右侧加挂2或3个钩码)，重复步骤2)和3)，读出杠杆左右两侧作用力的力臂.

5)改变杠杆两侧滑轮在滑槽中的位置，分别在左、右侧加挂1或4个钩码，不再移动杠杆上悬挂点的位置，让演示杠杆在任意位置处于平衡状态，分别测出各力及其对应的力臂.

6)将分别绕过固定在滑槽中的滑轮上2根挂重物的棉线取下，让其自然下垂，继续探究杠杆提纽下竖直悬挂重物和杠杆水平静止的情形.

实验部分数据如表1所示. 整理数据，在实验误差允许的范围内得出结论：F1L1=F2L2.

表1 实验数据

5 结束语

在探究杠杆平衡条件实验中，如何简捷、精准测量力臂是实验操作的难点，也是教师在教学实践中优化实验装置的焦点. 将刻度尺进行有效改进，制作亚克力支架，在镂空为圆弧状槽中装定滑轮，运用定滑轮不省力但可以随意改变动力或阻力方向的特性，使实验测量的数据具有普遍性，这有利于在创新实践活动中培养学生的创造能力和科学思维能力，更有利于提升学生的实验素养.