探究杠杆的平衡条件

刘荣刚

探究杠杆的平衡条件属于探究物理规律的实验。目的是通过探究杠杆平衡条件，学习分析实验现象，寻找实验数据之间的规律。本实验器材简单。实验现象明显。现结合例题。探究如下。

例 某实验小组在“探究杠杆的平衡条件”实验中，所用的实验器材有杠杆、支架、刻度尺、细线、弹簧测力计、质量相同的钩码若干。小组的同学在实验中进行了如下的操作和思考。请结合相关实验情景回答下列问题。

1.对于该实验。请你帮助实验小组提出一个明确的、可研究的问题。

解析：提出问题是探究的前提。一切探究始于疑问。本题由于较熟悉。可以直接提问：杠杆的平衡与哪些因素有关？或杠杆的平衡条件是什么？

2.请你结合玩跷跷板的生活情景。提出合理的猜想。

解析：从玩跷跷板的生活情景中知道，杠杆的平衡并不仅取决于物体轻重。还和物体离支点的远近有关。所以可以提出如下猜想。

猜想1：杠杆平衡时，动力×动力臂=阻力×阻力臂。

猜想2：杠杆平衡时，动力+动力臂=阻力+阻力臂。

3.在设计实验过程中。小明遇到下列问题。请你协助他解决。

（1）将杠杆装在支架上，发现杠杆右端下沉，此时应将杠杆的平衡螺母向____调，直到杠杆在水平位置平衡为止。如图1。

（2）调节杠杆在水平位置平衡，这样做的好处是____。这时杠杆所受重力的力臂为____。

解析：（1）杠杆的平衡调节与托盘天平的调平方法一样。平衡螺母要向高的方向调。杠杆右端下沉，左端高，平衡螺母需向左调。（2）杠杆在水平位置平衡时。杠杆所受重力的作用线过支点。力臂为零。可以消除杠杆所受重力对杠杆平衡的影响。不会对实验产生干扰。另外。杠杆处于水平位置时。动力臂和阻力臂都正好在杠杆上。力的作用点到支点的距离即为动力臂和阻力臂。测量起来比较方便。

4.小明调节杠杆在水平位置平衡后。按图2所示，通过加钩码分别改变F₁、F₂，仍使杠杆在水平位置平衡。并测出对应的l₁和l₂，记录的实验数据如表1。得出的杠杆的平衡条件是____。猜想____正确。

解析：把支点左边钩码所受的重力当作动力F₁，支点右边钩码所受的重力当作阻力F₂，量出杠杆平衡时的动力臂l₁和阻力臂l₂，由表1中所列数据可以得出杠杆的平衡条件：动力×动力臂=阻力×阻力臂。猜想1正确。

5.调节杠杆平衡后。小华在图3甲所示的A位置挂上两个钩码。可在B位置挂上____个钩码，使杠杆在水平位置平衡。她改用弹簧测力计在图3乙所示的B位置斜向下拉，若每个钩码重1N，当杠杆在水平位置平衡时，弹簧测力计的示数将____（填“大于”“等于”或“小于”）4N。

解析：设每个钩码重为G，杠杆每一格的长度为l，由杠杆的平衡条件可得2G×2l=nG×l，解得n=4，则在杠杆B处应挂4个钩码。杠杆才能平衡。改用弹簧测力计斜向下拉。阻力的力臂会变小，则阻力变大，弹簧测力计示数大于4 N。

6.某同学进行正确的实验操作后。得到的数据为F₁=3 N、l₁=4 cm、F₂=4 N和l₂=3 cm。该同学根据这些数据得出“动力+动力臂：阻力+阻力臂”的探究结论。该结论是____（填“正确”或“错误”）的，理由是：____。

解析：在实验中，改变支点两侧的钩码位置和个数，一般要做三次实验。得到三组实验数据并进行分析。才能得出结论。只进行一次实验而获得的数据具有偶然性，不能反映普遍规律。同时，单位不同的两个物理量不能直接相加。因此。该结论是错误的。

7.杠杆在生活中有很多应用。现欲使如图4所示的静止的跷跷板发生转动。右端小女孩可采取的做法是____。

解析：使跷跷板转动，应使右端小女孩的力和力臂的乘积变大。所以应增加右端小女孩的力臂，女孩应向远离支点的方向移动。

责任编辑 程哲