对“探究杠杆平衡条件”实验的改进

周怀明

(南京市双闸中学,江苏南京 210019)

九年义务教育教科书苏科版《物理》九年级上册第11章第1节中,活动11.2“探究杠杆的平衡条件”采用了如下的实验装置图和实验方法:

图1

如图1所示,在杠杆的左边挂上一定数量的钩码,在右边用弹簧测力计竖直向下拉,当杠杆处于静止状态时,我们就说杠杆处于平衡状态.设弹簧测力计对杠杆竖直向下的拉力F1是动力,钩码对杠杆的拉力 F2是阻力.分别研究3种杠杆在水平位置平衡的情况,并将结果记入表格中(各测定一组数据).

1 实验中存在的问题

以该教材实验器材和方法进行实验时,在实验过程中会出现如下一些问题:

1.1 实验测量结果误差大

教材的实验中涉及到弹簧测力计的使用,并且是竖直向下测量力的大小.学生在九年义务教育教科书苏科版《物理》八年级下册第8章第1节信息快递中,已经学习了弹簧测力计的使用前调节:将弹簧测力计按测量时所需的位置放好,检查指针是否在“0”刻度线处,若不在,校正“0”点.

实验中要测竖直向下的拉力,根据该教材所讲用法要将弹簧测力计拉环向下竖直放好,然后校正“0”点.实验过程中,学生会读出弹簧测力计的示数记为弹簧测力计对杠杆竖直向下的拉力F1.实验中选用每个重力为0.5 N的钩码,J2103圆筒测力计.根据教材实验步骤进行实验,能得到表1的实验数据:

表1

根据实验的数据发现 F1L1≠F2L2,并且两者差别较大,无法得出杠杆的平衡条件:F1L1=F2L2.

1.2 杠杆平衡不易判断

实验前要求调节杠杆在水平方向平衡,在实验过程中也要求使杠杆再次在水平方向平衡时测量实验的数据,但是实验过程中,很难判断每次杠杆是否与前面一样是在水平位置平衡.实验前和实验过程中杠杆是否在水平方向平衡,只能通过感觉来判断,这种判断往往给测量结果带来较大的误差.

1.3 杠杆受力点移动难,容易脱落

实验中为了容易在杠杆上挂钩码和弹簧测力计,在杠杆两面的中间部分别开了一条凹槽,用对折的细钢丝卡在两边的凹槽中,在细钢丝上挂钩码和弹簧测力计.实验过程要改变杠杆的受力点,就要移动细钢丝的位置,细钢丝和杠杆之间的阻力较大,不容易移动,并且当所挂钩码较多或弹簧测力计的拉力较大时,细钢丝容易从杠杆上脱落,影响操作,钩码脱落也存在一定的安全隐患.

2 对问题1.1的分析

根据实验的数据发现 F1L1≠F2L2,并且 F1L1＜F2L2.教材中设弹簧测力计对杠杆竖直向下的拉力F1是动力,教材中又要求用弹簧测力计去测量这个力的大小.在实验过程中,学生根据已学过的知识会很自然地认为弹簧测力计的示数就等于弹簧测力计对杠杆向下的拉力.造成实验误差大,不能得出正确结论的原因也正在于此:实验中弹簧测力计的示数并不等于弹簧测力计对杠杆向下的拉力,而要小于弹簧测力计对杠杆向下的拉力.学生在使用弹簧测力计测量竖直向下的拉力时,会按教材要求将弹簧测力计按测量时所需位置放好、校“0”后再使用.当弹簧测力计倒挂在杠杆上时,弹簧测力计自身对杠杆就有一个向下的拉力,这个拉力施加给杠杆的同时却不能在弹簧测力计示数上反映出来,所以弹簧测力计的示数要小于弹簧测力计对杠杆实际向下的拉力,导致实验中测出的F1偏小,使得F1L1≠F2L2.

3 对实验的改进

3.1 对问题1.1的改进

对问题1.1的改进,有两种方案.

方案1:利用钩码完成实验

图2

选用若干个重力相同的钩码,测出每一个钩码的重力,用钩码代替弹簧测力计对杠杆施加拉力.如图2,实验中将钩码竖直挂在杠杆支点的两侧,杠杆受到的力F1和F2大小就等于相对应的所挂钩码的总重力大小,通过改变所挂钩码的个数可以改变钩码对杠杆向下的拉力,即可以改变杠杆受到的力 F1和 F2,F1和 F2的力臂 L1和 L2可以通过改变钩码所挂的位置来改变.

实验中选用钩码做实验,不选用弹簧测力计,避免了弹簧测力计竖直倒放时,各部分重力对实验测量结果的影响,杠杆所受拉力的大小直接通过计算钩码的总重力大小得到,实验器材简单,操作方便,并且实验误差小,能容易准确的得出杠杆的平衡条件.

方案2:改弹簧测力计竖直下拉为竖直上拉

实验中仍然用弹簧测力计来测量杠杆所受拉力F1的大小,与教材相比,改变了弹簧测力计拉的方向,将弹簧测力计竖直向下拉改为竖直向上拉.如图3所示,弹簧测力计与钩码放在杠杆支点的同一侧,钩码对杠杆的拉力竖直向下,弹簧测力计此时竖直向上拉杠杆,使杠杆平衡.这样,弹簧测力计在竖直方向校“0”后,测量过程中,弹簧测力计示数大小就是弹簧测力计对杠杆的拉力大小,避免了弹簧测力计自身重力对测量结果的影响.

图3

3.2 对问题1.2的改进

在铁架台上杠杆支点的上方位置固定一水平的细铁丝,铁丝靠近杠杆较小的距离,每次调节都使杠杆与铁丝平行,这样就能保证杠杆每次在同样位置平衡.当杠杆不在水平位置平衡时,杠杆与铁丝就不能平行,并且很容易从两者位置上观察出来,也容易得出使之平衡的操作.

3.3 对问题1.3的改进

去掉细钢丝,用细尼龙线做两个能容易套在杠杆上的相同大小的圈,将线圈套在杠杆上,把钩码或弹簧测力计挂在线圈上,这样线圈在杠杆上容易移动、便于操作,且线圈不会从杠杆上脱落.

通过上述方法对实验改进后,实验可操作性强,实验误差小,能准确得出杠杆的平衡条件,同时避免了弹簧测力计特殊使用时给学生带来的困惑,避免实验失败对学生学习兴趣的影响.

1 刘炳升,李容.义务教育课程标准实验教科书(苏科版)物理 9年级上册.南京:江苏科学技术出版社,2007.

2 刘炳升,李容.义务教育课程标准实验教科书(苏科版)物理 8年级下册.南京:江苏科学技术出版社,2007.