探究杠杆平衡的条件实验改进与教学

摘 要：针对教材中探究杠杆平衡条件的实验装置中存在的问题，提出三个改进方案：首先，用重锤线和圆盘上的水平线，帮助准确判断杠杆是否处于水平状态;其次，通过探究直臂杠杆在水平和非水平位置平衡及曲臂杠杆在水平位置的平衡条件能使实验结论更具有普遍性;再次，通过曲臂杠杆及改变直臂杠杆上的动力方向使两种杠杆在水平位置平衡，帮助学生深刻认识力臂的概念.最后，实验的改进在教学中不仅能有效突破教学中的重难点，还能促进学生深度学习.

关键词：杠杆平衡的条件;力臂;深度学习;实验教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）18-0033-03

基金项目：江西省教育科学“十三五”规划2020课题“以创新实验促进初中物理深度学习的实践研究”（项目编号：20PTYB190）.

作者简介：江耀基（1976-），男，江西安福人，本科，中学高级教师，研究方向：物理教学和实验教学.

1 教材实验中存在的缺陷

探究杠杆平衡的条件是人教版八年级物理（下册）第十二章第1节“杠杆”中的学生分组探究实验.它既是本节课的教学重点，同时实验中的测量力臂也是学生的学习难点.为了突破这个知识点，教材上安排了如图1所示的实验装置.首先，调节杠杆两端的平衡螺母使杠杆在不挂钩码时，保持水平并静止，达到平衡状态;接着，给杠杆两侧挂上不同数量的钩码，移动钩码的位置，使杠杆重新在水平位置平衡，这时杠杆两侧受到的作用力等于各自钩码所受的重力，读出此时杠杆两端的动力F1和阻力F2及对应的动力臂L1和阻力臂L2;改变动力F1和动力臂L1的大小，相应调节阻力F2和阻力臂L2，再做几次实验，把测得的实验数据填入表格[1].

笔者在教学实践中发现，利用此实验装置进行教学时存在三个缺陷：（1）实验中杠杆的水平平衡位置没有判断依据，全凭学生的直观感觉，实验的可信度不强;（2）实验中只研究了杠杆始终处于水平，力的作用线的方向处于竖直一种情形下的杠杆平衡，这样得出的实验结论不具有普遍性;（3）实验中的力臂都是从杠杆上直接读取，势必有造成力臂是从支点到力的作用点之间的距离之嫌，不利于学生进一步认识力臂的本质.

2 改进创新实验方案

2.1 改进创新实验装置

2.1.1 实验材料

直径为40cm、厚为1.8cm的圆形木板1块、直径为40cm带刻度线的圆形背贴纸1张、直臂杠杆1根、曲臂杠杆1根（自制）、60cm×8cm木板支架1块、30cm×30cm木板底座1块、上边13cm下边38cm高22cm梯形固定木板1块、合页2个、弹簧测力计1把、钩码1盒、钉子若干个、3cm×20cm直角三角形固定木板1块、502胶水1瓶、长为5cm直径为3mm的长螺丝1个、棉线1卷、彩色透明胶1卷以及红色记号笔1根.

2.1.2 制作方法

（1）切一块直径为40cm的圆木板，用电钻在木板的圆心处钻1个直径为3mm的孔.

（2）制作一张直径为40cm带刻度线（刻度线间距为1cm）的圆形背贴纸，将带刻度线的背贴纸紧贴在圆形木板上，要求带刻度的背贴纸面和圆盘完全重合，再用钉子在背贴纸的圆心钻个小孔，使得小孔与圆盘小孔完全一致，不能有偏差（如图2所示）.

（3）用釘子将支架竖直固定在底座上的中央，然后用502胶水将直角三角形木块两个直角边分别固定在竖直的支架木板上和水平底座上（如图3所示）.

（4）用电钻在距离支架顶端2cm中心位置钻个直径为3cm的小孔，然后用5cm的长螺丝穿过支架和圆形木板小孔，将支架和圆盘固定在一起，圆盘可绕着螺丝转动，此时长螺丝即是杠杆的支点.

（5）用棉线悬挂一个螺丝作为重锤线，并把重锤线挂在支点处的长螺丝上（如图4所示）.

（6）沿着圆盘直径上方粘一条彩色透明胶带，作为杠杆水平平衡参考线.

（7）将直臂杠杆或曲臂杠杆穿在作为支点的长螺丝上，并用螺母固定好，但不能固定太死，让杠杆能在竖直平面内自由转动.

（8）将梯形测力计固定在木板较细的一端并用合页与底座固定，且在固定板沿竖直向上翻时，固定板刚好与支架完全重合（如图5所示）.

2.1.3 实验装置结构图

改进创新后的探究杠杆平衡的条件的实验装置如图6所示.

2.2 改进创新实验方案

针对缺陷（1）：通过重锤线和彩色透明胶，让杠杆在水平位置平衡有准确的判断依据.在杠杆的支点处（螺丝上）挂一个简易的重锤线，使重垂线与圆盘上的零刻度线完全重合，此时圆盘中间直径就处于水平位置，实验时让杠杆与圆盘的直径或彩色透明胶带重合，杠杆就处于水平位置;通过探究多种情形下的杠杆平衡，能使得出的实验结论更具有普遍性.

针对缺陷（2）：利用改进后的杠杆实验装置，可以探究杠杆处于水平平衡（作用力处于竖直方向），杠杆处于水平平衡（动力沿着斜向下方向），杠杆处于非水平平衡及曲臂杠杆的水平平衡四种情形的杠杆平衡实验，从而使得出的实验结论更具有普遍性，避免了偶然性;通过探究多种杠杆的平衡条件，能帮助学生有效建构力臂的物理概念.

针对缺陷（3）：在探究直臂杠杆处于水平平衡，但动力沿着斜向下方向拉时，通过转动圆盘，使得动力作用线与圆盘上的刻度线完全对齐，就可以读出此时的力臂，如图7所示.再通过探究直臂杠杆在非水平平衡与曲臂杠杆在水平平衡，能让学生进一步认识力臂的本质，帮助学生建构力臂的物理概念.

3 用改进的装置进行实验教学

实验步骤如下：

（1）将实验仪放置在水平桌面上，转动圆盘，使重垂线与0刻度线完全重合，这时圆盘的水平线与重垂线相互垂直.

（2）调节直臂杠杆两端的平衡螺母，直到杠杆与彩色胶带水平线完全重合，杠杆处于水平平衡位置（如图8所示）.

（3）在直臂杠杆的两端分别挂上数量不等的钩码，调节杠杆右侧的钩码在杠杆上的位置，直到杠杆又与圆盘上的彩色胶带水平线完全重合，杠杆恢复水平平衡，记下此时的动力F1、阻力F2、动力臂L1和阻力臂L2（如图9所示）.

（4）改变直臂杠杆上左端钩码的位置，右端用弹簧测力计代替钩码，通过改变弹簧测力计的示数，使动力和阻力作用线与圆形刻度盘上的某刻度线完全重合，让杠杆处于非水平位置平衡，记下此时的动力F1、阻力F2、动力臂L1和阻力臂L2（如图10所示）.

（5）将弹簧测力计沿着斜向右拉杠杆，使得杠杆保持水平位置平衡，记下此时的动力F1、阻力F2、动力臂L1和阻力臂L2（如图11所示）.

（6）将直臂杠杆换成曲臂杠杆，调节曲臂杠杆两端的平衡螺母，使得曲臂杠杆在水平位置平衡，然后在曲臂杠杆两端挂上数量不等的钩码，调节钩码在曲臂杠杆上的位置，使曲臂杠杆恢复水平平衡，记下此时的动力F1、阻力F2、动力臂L1和阻力臂L2（如图12所示）.

（7）把测得的实验数据记录表格1中.

分析上述实验数据可知：杠桿平衡的条件是：动力×动力臂=阻力×阻力臂，公式表示为F1L1=F2L2.

4 结语

通过本实验的改进与创新，让杠杆在水平位置平衡有了判断依据，有利于培养学生严谨的科学态度;通过探究多种情形下杠杆的平衡，不仅能使得出的实验结论更具有普遍性，有利于发展学生科学思维能力，还能让学生进一步认识力臂的本质，帮助学生建构力臂的概念.总之，通过本实验的改进与创新，不仅能有效突破教学中的重难点，让初中物理实验教学能更加有序、高效地开展，让学生更积极、主动地参与科学探究过程，帮助学生达成了知识目标，提高了学生的实验探究能力，促进学生深度学习.还能促进初中物理教学由传统的讲授式教学向科学探究式教学的转变.通过本实验的改进与创新，在学生心中播下一颗创新的种子，有利于培养学生的创新意识和创新精神，发展学生的物理核心素养.

参考文献：

[1]列阿平.通过实验设计创新 发展学生物理核心素养——以“探究杠杆的平衡条件”为例[J].物理教学探讨，2021，39（05）：32-34.

[2]江耀基.探究平面镜成像特点实验装置改进与教学[J].中学物理，2021，39（08）：28-30.

[3]李明权.浅谈物理演示实验的教学[J].物理教学探讨，2005（19）：26.

[4]余菊明.巧设学生活动 强化学习体验[J].物理教师，2012，33（03）：17-18.

[5]黎东波.重整单元教学目标 落实物理核心素养[J].科学大众·科学教育，2019（03）：40-41.

（收稿日期：2021-05-18）