“探究杠杆平衡条件”实验改进与设计

裴会明 权亮

摘要：新设计的实验器材可以直观地读出力臂和力，实验前可先画出力的作用线，学生对于力臂和力的作用线的正确理解有很直接的帮助；新实验装置不但可以探究得出普遍意义下的杠杆平衡条件，还能定量地探究得出最省动力的方向；新的实验器材可以很好地帮助学生理解杠杆的多样性和平衡，也有利于学生对滑轮的理解和教学。

关键词：杠杆；平衡条件；实验器材；改进；设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2014）09-0131

物理是一门以实验为基础的自然学科，好的实验器材不但能帮助学生得出普遍意义下的重要的实验结论和物理规律，还可以帮助学生理解相关的物理概念，对其他相关章节的教学也将会起到帮助作用。

一、现存实验装置和实验方法的局限性分析

（新人教版）九年级物理教科书第十三章第四节杠杆一节，设有“探究杠杆平衡条件”的实验，课本采用了如图一所示的实验装置。该实验装置虽然巧妙地把力臂都置于杠杆之上，方便直接读出力臂的值，但此装置由于支点到力的作用点的距离跟支点到力的作用线的距离相重合，从而存在着力的作用点跟力的作用线相混淆的嫌疑。为避此嫌，有些教师则采用如图二所示的装置进行实验，但此装置的弹簧测力计的拉力的力臂并不落在杠杆上，显得又不直观，这种改变就有些顾此失彼。

以上两种实验装置，很难探究出普遍意义下的杠杆平衡条件，实验得出的仅仅是在直杠杆在水平位置平衡时的特定条件下的一个结论，两装置共同缺陷有四：一是对（如图三、图四等）杠杆的多样性理解不够；二是不能直观地在器材上同时显示力臂和力的作用线，不利于理解力的作用线等概念，对学生老出错的力臂作图没有有效纠正；三是无法定性的探究出（如图五等）情况下的最省的动力，对于多数学生不太理解的最省动力及其作图得不到帮助；四是对于滑轮教学没有启迪性。

笔者根据平时的积累和思考，对该实验进行了有益的改进：笔者新设计的实验器材能克服以上所述的诸多缺陷，是一个较为理想的实验装置，现把自己的设计和实验方法陈述于后，不足之处，希望专家和同仁不吝赐教。

二、主要新实验器材的制作和用途介绍

1. 白色硬塑料光滑圆盘：中间开有直径为2mm圆孔，质量分布均匀，圆盘直径为21cm，厚约0.5cm。在圆盘上均匀画出相邻夹角相等的若干条直径，再画出半径分别是2cm、4cm、6cm、8cm和10cm的一组同心圆，在半径和圆周的每个交点处开有略大于针眼的小圆孔，以普通棉线能自由穿出为宜。那么，小孔所在的圆半径就是力臂，小孔所在点圆的切线就是力的作用线。如图六所示。2. 棉线两条。3. 小钩码一盒。4. 量程适当的弹簧测力计一个。5. 光滑金属圆杆：金属杆直径略小于2mm，使得其能在圆盘中央孔中自由穿过，并能保证圆盘在竖直平面内自由转动为宜。

三、新实验过程方法概述

1. 实验探究杠杆平衡条件

将光滑金属圆杆水平固定在铁架台的上端，在圆盘上任选俩小孔，过小孔用直尺彩笔画出小孔所在圆的切线，将圆盘中心圆孔套在金属杆上，圆盘能在竖直平面内自由自由转动为宜，再将两根棉线分别穿过选定小孔，并把两头打结成线套，在其中一个线套上挂上几个钩码，另一个线套用调好的弹簧测力计的挂钩勾住，再让棉线沿着切线方向缓慢拉动弹簧测力计，使得挂钩码棉线与对应小孔所在的切线刚好重合时，圆盘保持静止，挂钩码小孔所在的半径为阻力臂，拉弹簧测力计小孔所在的半径为动力臂，钩码的重力等于阻力，弹簧测力计的示数等于动力。如上所述，换用不同小孔连续进行多次以上实验，并记录实验数据，进而分析出杠杆平衡平衡条件：F1L1=F2L2（如图六所示）。

2. 实验探究最小动力的方向

在圆盘的左边任选一个小孔画切线、穿棉线并打结，并挂上钩码，在圆盘右边的次外圆周上任选一个小孔画切线、穿棉线并打结，并用弹簧测力计挂钩勾住，拉动弹簧测力计使得棉线分别与从小到大圆相切，使得阻力作用点跟支点在同一水平高度，分别记下弹簧测力计的数值，进行比较发现：当动力垂直于支点和动力作用线时，动力最小（如图七所示）。

四、新实验的优点

1. 实验测量具有任意性和多样性，得出的结论更具普遍性

（1）该实验装置有若干个小孔，任意两个小孔就可以得到一组实验数据，该装置可以得到成百上千组数据，比原实验装置可供选择的机会多得多，因此对于实验结论就有多次验证的机会。（2）弹簧拉力方向可向上向下和水平方向，避免了动力方向的单一性。因此，新装置得到的结论更具有普遍性。

2. 便于更好地理解杠杆

（上接第131页）

杠杆是可以绕固定点转动的硬棒，其形状具有多样性。大体可分为支点、动力作用点、阻力作用点三点共线和三点共面两种。新的实验器材就可以很好地体现这两种杠杆。新实验器材以圆盘中心孔（支点），挂钩码的小孔位置（阻力作用点），弹簧测力计拉力所在小孔位置（动力作用点）三者之间画出不同的封闭图案，就能代表杠杆式样。封闭图案以外的部分，是用于平衡杠杆重力矩的。

3. 便于理解杠杆平衡

杠杆平衡状态要么是静止要么是匀速转动，而不是在原实验中的水平位置的平衡。该实验装置不但可以演示得出杠杆在任何位置的静止平衡时的平衡条件，还可以用两个弹簧测力计演示杠杆得出杠杆缓慢转动平衡时的平衡条件。避免了杠杆只能在水平位置平衡的错误认识的发生。

4. 便于滑轮的教学

整个圆盘就是支点、动力作用点和阻力作用点三者之间的最大封闭图形，也就是圆盘也是一个杠杆，而可转动的圆盘也是滑轮，对于滑轮的认识和教学将起到承上启下的作用。

5. 便于读数和正确理解力的作用线和力臂

该实验器材巧妙的利用了圆的半径跟切线相垂直的特点，也用到了同心圆的特点，使得每个圆的半径都可以是力臂，而且一目了然，实验时让学生画出力的作用线（切线），不但为实验时把握力的方向具有导向作用，而且有助于强化学生对力的作用线和力臂的理解。

6. 该实验器材具有取材方便、制作简单、用途广泛、操作方便、现象直观等优点。

五、延伸

如果给圆盘配上夹板挂钩，再在圆盘外边上开有0.5cm的槽，就又是一个滑轮模型，利用圆盘上的切线，使学生可以直观地理解滑轮的支点和力臂。

总之，新的实验器材不但能得出普遍意义下的杠杆平衡条件，还能演示得出最省动力的方向，对于学生全面的学习和理解简单机械的概念和规律大有裨益，因此，新的实验装置可以说是一个较为理想的实验器材，希望同行不妨一试。

（作者单位：①甘肃省陇西县乔门学校 748000；②甘肃省陇西县文峰初中 748000）