滑轮教学中存在的问题与改进

杨红粮 廖玉辉

摘 要：物理学科核心素养要求培养学生的物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任.从物理学科素养的要求可以看出，物理课堂应特别注重实验探究，即提出物理问题，形成猜想和假设，获取和处理信息，基于证据得出结论并作出解释，以及对实验探究过程和结果进行交流、评估、反思.目前“滑轮”这节课还存在很多不规范的探究实验和没有解释的问题，让学生存在错误的认识.

关键词：滑轮;实验探究;理想滑轮

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）16-0052-03

作者简介：杨红粮（1985-），男，北京密云区人，本科，中学一级教师，研究方向：初中物理教学实践研究;

廖玉辉（1976-），男，北京密云区人，本科，中学二级教师，研究方向：初中物理教学实践研究.

滑轮是中学物理的重要知识点，探究滑轮特点可以培养学生探究能力，对于滑轮的特点教学很多课堂仍然存在不符合物理学科核心素养的处理方式，有的课堂把探究性实验做成“验证性”实验，有的课堂直接告诉学生理想滑轮特点然后大量做练习，有的课堂根本没意识到滑轮两边绳子的拉力可能不相等，实验滑轮与理想滑轮之间存在很大区别，所以关于滑轮的教学还有很多需要注意的地方.

1 目前对于滑轮特点的探究实验分析

1.1 关于探究定滑轮特点的实验

按照如图1甲所示的方法探究定滑轮的特点是很多课堂仍然使用的操作方法，左边的钩码重力作为自变量，改变左边绳子所挂的钩码个数，用弹簧测力计测量右边绳子自由端的拉力，多次测量，总结绳子自由端的拉力与物体重力之间的大小关系.

这样做实验存在问题，弹簧测力计钩着绳子向下拉并不符合弹簧测力计使用规范，正常调零的彈簧测力计如果这样使用，指针无法对准零刻度线，测量时还不能忽略刻度盘所受到的重力，因此无法准确测量绳子自由端的拉力.

按照如图1乙所示的方法探究定滑轮在使用时绳子自由端的拉力与方向无关，从而说明定滑轮的本质是等臂杠杆，这样做实验也存在弹簧测力计的使用不规范问题，向下、斜向下和水平拉都不容易排除弹簧测力计金属杆与刻度盘之间的摩擦，指针不容易对准零刻度线，测量数据不准确.

按如图1丙所示的方法证明定滑轮两边的拉力相等，当两边所挂的钩码（每个钩码都相同）个数相等时，钩码处于静止状态，说明两边拉力相等，这样做实验则是把探究性实验变为验证性实验.

1.2 针对如图1甲所示实验进行改进

新课标及物理学科核心素养要求探究实验应包括提出问题、猜想与假设等七个环节，让学生体验探究过程就要从提出科学问题或教师给出探究问题开始，缺少明确的科学问题，就没有明确的自变量和因变量，所完成的实验只能算验证性实验，所以实验改进就要从明确科学问题开始.

探究定滑轮特点，很多学生都有固定思维，认为定滑轮挂在铁架台上，应放在上边，就像国旗杆顶端上的定滑轮，其实不然，研究滑轮的特点需要用弹簧测力计，而弹簧测力计必须向上提升，所以必须让定滑轮固定在下边.

按照实验探究七环节设计实验，让学生体验探究过程，设计如下.

提出问题：如图2甲所示，将定滑轮固定在下边，一侧用弹簧测力计拉着绳子，绳子穿过定滑轮，右手拉住绳子自由端，在此情境中提出问题，绳子自由端的拉力F2（即手向上的拉力）与左侧弹簧测力计对绳子的拉力F1有什么关系？

猜想与假设：两个力的关系为F2 =F1.

设计实验：左侧弹簧测力计对绳子的拉力F1是自变量，右侧拉力F2是因变量，改变右侧绳子自由端拉力便可以改变自变量，多次改变自变量，测量并记录自变量和因变量数据在表格中.

进行实验采集数据：如图2乙所示，弹簧测力计的使用比较规范，记录两边弹簧测力计的示数，将数据填入表格，实验时记录的数据见表1.

分析论证：定滑轮使用时右侧绳子拉力F2与左侧绳子拉力F1，满足F2=F1.

实验评估：多次改变自变量，观测因变量，所得结论比较有科学性，但是结论仅限于拉力较小的范围内，当绳子拉力较大时，滑轮的轮和轴之间的压力会增大，摩擦力就会增大，主动拉绳子使轮子转动的力就会因为克服摩擦而增大，在第6次实验中，F2=0.8N大于理论猜想值.所以结论应加上修正条件，当摩擦较小可以忽略不计时，F2=F1，否则F2可能略大于F1.

交流与合作：让每一实验小组分享自己的实验数据和过程，提高学生对实验的理解，让学生了解更多实验可能出现的未知细节.

1.3 针对如图1乙所示实验进行改进

此实验也可以设计成为探究实验，让学生体会探究过程，设计如下.

明确问题：用定滑轮提升物体时，不同方向的拉力是否相等？

猜想与假设：很多学生会认为拉力F可能不相等，或者由于没有此类生活经验无法提出肯定的猜想，学生无论提出哪种猜想，都是有益于学生参与教学活动并认真思考问题，都有益于参与探究活动.

设计实验：具体实验时由于弹簧测力计竖直向上拉是最规范的操作，所以这里要改进实验，用橡皮筋代替弹簧测力计，当同一橡皮筋伸长量相同时，表明拉力相等，如果伸长量不相同，则表明拉力不相等.

进行实验，采集数据：表格未列出.

分析论证：三次实验橡皮筋的伸长量相同，表明不同方向拉力相等.

1.4 针对如图1丙所示实验进行改进

对本实验改进主要从实验方法进行改进.定滑轮左侧挂钩码，右侧挂几个钩码可以使两边平衡，让学生经历猜想到实验验证的过程，多次改变左侧的钩码个数，多次观测右侧钩码个数与左侧钩码个数关系，也就是说让学生有改变自变量的意识，这样才能让学生经历整个探究过程，教学才符合物理核心素养对学生的培养要求.

2 关于动滑轮特点的实验分析

2.1 关于绳子自由端拉力F与物体受到重力G的大小关系

在很多课堂上教师为得到“使用定滑轮省一半力”即F=G/2这一结论不断努力着，而这一结论是在不考虑动滑轮重、绳子重和轮与轴之间的摩擦情况下才成立，在生活和实验中很难得到此结论.

从表格2中数据可以看出，当钩码个数较少即物体重较小时，绳子自由端的拉力F、动滑轮重G动和钩码重G满足2F=G动+G.当钩码总重较大，物体的重远大于动滑轮重时，理论上F接近G/2，但实际上物体越重，滑轮的轮与轴之间的摩擦也越大，得到结论2F=G动+G非常困难，得到 “省一半力”的结论便更加不可能，在很多课堂上教师的教学行为是为了得到结论而刻意回避误差和事实.其实，得不到理想滑轮的相关特点没有关系，重要的是让学生体验探究过程，培养学生探究能力，培养学生根据数据分析问题的意识.

2.2 使用动滑轮提升物体时，动滑轮两侧绳子的拉力关系研究

用动滑轮提升物体时，动滑轮两侧绳子的拉力是否相等，两侧绳子拉力的差值与什么因素有关？

如图3丙所示组装器材，动滑轮左侧弹簧测力计拉力为F1，滑轮右侧弹簧测力计拉力为F2，绳子自由端是主动提升物体使滑轮转动的一方.F2与F1之间差值ΔF与物体重G之间关系数据见表3.

通过数据可以看出，动滑轮两侧绳子拉力F1和F2是不相等，而且隨着物体重的增加，两个力的差值ΔF也增加.所以绳子拉力、动滑轮重和物体重之间关系应该写成F1+F2=G+G动.

动滑轮两边绳子拉力不相等的原因分析.

按照如图3丙所示装置进行实验，当右边自由端拉力F2驱使滑轮匀速转动从而提升重物时，F2>F1;当自由端向下“退缩”一点，使物体静止在空中时，F2可能等于F1，再“退缩”一点，F2

理想滑轮概念的建立：

利用不同的动滑轮、绳子等器材做实验时不能得到像理想滑轮那样较为统一的结论，但是如何描述滑轮特点从而指导人们生活实践，就必须建立较为理想、一致性的特点和概念，所以在不影响问题处理及F1和F2相差不大（摩擦可以被忽略）的情况下，认为两边的力相等，且满足2F=G+G动，当物体重G远大于动滑轮重G动时，G动可以被忽略，F=G/2，这就是理想动滑轮特点.

3 关于滑轮教学的思考

对于滑轮的教学，要考虑从生活走向物理，让学生从生活中的滑轮入手，认识滑轮在生活中如何利用，体现课标要求，从生活走向物理，然后明确探究问题，计划好从哪几个问题入手研究滑轮特点.

研究滑轮特点要尽可能地改进实验器材，减小摩擦让数据更准确，尽可能使滑轮成为理想滑轮，尽量减小动滑轮重可以研究绳子自由端拉力F与物体重G之间关系，如果条件有限无法减小动滑轮重，可以研究拉力F、物体重G和动滑轮之间的关系.

总之，滑轮教学确实存在理想情况与实际不符的情况，引导学生如何利用实际数据推理概括出理想滑轮特点，使结论模型化，建立受力分析模型，从而帮助学生理解理想滑轮特点.通过本节课的学习，既要培养学生实验探究能力，也要培养学生从实际数据建立理论概念和规律的能力.

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（收稿日期：2021-04-22）