杠杆实验中有关弹簧测力计调零的若干思考

陈希 潘春宵

摘要：科学教学中涉及许多杠杆，有一些是变形的或不直观的，学生对杠杆的解读需要具备对基本模型的深度理解。在科学中考复习的深度学习中，教学的“作用点”不只是知识的肤浅的广度，而是对知识进行深度的挖掘，从而实现学生学习能力的跃迁。深度学习是落实核心素养的有效途径，不仅促进高阶思维的发展，还有利于提高解决实际问题的能力。[1]

关键词：深度学习;杠杆;调零;弹簧测力计

杠杆是一种最基本的简单机械。人们使用简单机械，是为了获得机械利益，比如可以改变力的方向，或者用较小的力获得较大的力。通过探究得到杠杆的平衡条件，运用杠杆的平衡条件可以用来解决有关杠杆平衡的问题。[2]在探究杠杆的平衡条件的过程中，教材中用钩码作为实验材料，可以非常直观地显示拉力和阻力的大小。而在许多情境中，为了测量出动力和阻力的具体大小，需要用到弹簧测力计。例如当需要研究不同方向的拉力对杠杆平衡的影响时，或者利用杠杆平衡条件测阻力的大小。

有这样一道测试题，引发了笔者对于弹簧测力计调零的深度思考：

【例题】实验室的弹簧测力计的量程为5N，超出了铁块的重力，所以小明用木棒、细铁丝等物品改进了测量方案：

1、如图甲所示，以木棒的A处为支点系上细线，在木棒的左端绕上适量细铁丝，使木棒在水平位置平衡;

2、用手指勾住弹簧测力计的B处调零，如图乙;

3、如图丙所示，在木棒左端挂上铁块，右端用弹簧测力计竖直向下拉。当木棒处于水平位置平衡时，弹簧测力计的示数如图丁所示。

回答：1、步骤二的目的？ 。

2、该铁块的重力？ 。

根据题干的情境，大部分学生能根据所学推测，步骤二的目的是为了消除弹簧测力计的自重对杠杆平衡的影响。在这个省力杠杆中，根据平衡条件F1L1=F2L2，又因为L1=3L2，所以动力是阻力的1/3倍，因此阻力的大小，即铁块的重力为6.6N。然而在课后答疑时，有学生提出了疑义：弹簧测力计反向调零后，拉力的大小应该仍是面板显示的值，即弹簧测力计的自重无法通过反向调零而消除。为此笔者在班级里开展了弹簧测力计调零的深度学习：《头脑风暴：调零，没你怎么行！》。

一、在实验中形成认知冲突

設问：出题者将弹簧测力计反向调零的目的是什么？

讲述：出题者希望通过反向调零后，消除测力计的自重，则面板显示的拉力值，就是作用在杠杆上的动力大小。

实验验证：先将弹簧测力计正向调零，测一个钩码的重力。再将弹簧测力计的秤钩挂在铁架

台上反向调零。在拉环端挂上一个钩码，观察面板读数。

结果：G钩码=0.5N，面板显示值为0.5N。

结论：弹簧测力计反向调零后，弹簧测力计的拉环受到钩码的拉力是0.5N，面板显示读数也是0.5N。若将反向调零的弹簧测力计和钩码一起挂在杠杆的动力端时，拉力的数值仍是钩码的重力0.5N，杠杆的自重是无法消除的。此时，动力F1的大小应等于面板的示数0.5N加上弹簧测力计的自重。即F1=F弹+0.5N。所以按照步骤二的方法，作用在木棒上的动力的大小应该是2.2N加上弹簧测力计的自重。因为条件不足，不能用平衡条件求出铁块的重力。

二、实践出真知，探究科学本质

教学过程：

（一）布置实验探究

实验一：持弹簧测力计B的秤钩反向调零后，倒挂在弹簧测力计A的秤钩上。将钩码挂在弹簧测力计B的底部拉环上，观察两个测力计的示数。

实验二：持弹簧测力计B的秤钩正向调零后，正挂在弹簧测力计A的秤钩上，重复实验一。

结论：按以上两种方法，无论将弹簧测力计B正向调零还是反向调零，当弹簧测力计B上都挂一个钩码时，对弹簧测力计A的拉力是等大的。因为两种方案中，因弹簧测力计自重和钩码重力引起的拉力都作用在弹簧上，弹簧的伸长量与拉力成正比。所以读数是等大的。

（二）集思广益：

从弹簧测力计的构成出发，想一想怎样调零弹簧测力计B才能尽可能地既消除它的自重，又能在弹簧测力计A上读出总拉力呢？

实验：手持弹簧测力计B的面板反向调零后，将其倒挂在弹簧测力计A的秤钩上，重复实验一内容。

三、以冲突为跳板，进入深度学习

总结归纳得出，当将弹簧测力计B（手持面板调零后）和钩码一起挂在调平后的杠杆上时，面板的读数是0.9N，动力F1的实际值也是0.9N。所以例题步骤二中，如果用手持弹簧测力计的面板调零后再进行操作，则面板上显示的2.2N就是拉力的实际值，这个值已包含了弹簧测力计的自重。用该方法测得的数据代入杠杆平衡条件计算，能更准确地测出铁块的重力。

提问：以上调零方案在探究“不同方向拉弹簧测力计，使杠杆平衡”的实验中是否可用？

分析：不可用。当拉力方向和重力方向一致时可用，即仅用于竖直向下拉。

提问：那么用现有器材，还有其他方法可以测得铁块的重力吗？

方案：经过课堂讨论，学生们得出，还可以将弹簧测力计正向调零后挂在木棒的右端，支点不变，然后在木棒左端缠上细铁丝，直至杠杆平衡。

分析：这个方法与“用天平测量食盐质量的操作前，只在右盘放入滤纸，再对天平进行调平”的原理相同。按图中的操作调零，可忽略弹簧测力计的自重。此时面板显示的值，就是作用在弹簧测力计上的拉力大小，也是作用在杠杆上的动力大小。

归纳概括：有弹簧测力计参与的杠杆调零方案有：

探究杠杆平衡条件过程中对弹簧测力计的操作（竖直向下拉时） 方案1 方案2

杠杆平衡后，持弹簧测力计的面板反向调零，倒挂在杠杆的动力（或阻力）作用点上。面板显示值就是杠杆的动力大小。 将弹簧测力计正向调零，正挂在杠杆的动力（或阻力）作用点上，再进行杠杆调平。面板显示值就是杠杆的动力大小。

杠杆作为一种古老的简单机械，仍是现代机械的重要基础，人体的骨骼和生活用品中也有杠杆的身影。在利用杠杆平衡的教学环节中，教师根据学习情境开展的深度学习，是学生构建自我知识体系的重要组成。在教师的引领下，学生能主动“经历”科学的发现过程，

从而认识科学知识的本质和内涵，让学生成为真正的教学主体。

参考文献：

[1]叶笛.基于深度学习的初中科学课堂重构[J].教学与管理，2019（8）：53.

[2]义务教育教科书《科学教学参考书九年级上册》[M].杭州：浙江教育出版社，2014年8月第1版71.