初中科学力臂概念的建立

游天下

[摘   要]杠杆是生产和生活中普遍使用的一种简单机械，充分地认识杠杆的五要素对理解杠杆的工作原理、运用杠杆工作原理解决问题至关重要。其中力臂概念的建立是初中科学教学的难点。在建立力臂概念的过程中，最首要的是要尊重学生的认知规律，运用最简单的实验来引导学生。

[关键词]力臂概念;初中科学;杠杆

[中图分类号]    G633.98        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2019）05-0089-02

力臂概念的建立是杠杆教学中的重点，也是难点。它是理解杠杆工作原理的基础，也是认识各种类型杠杆工作特点的基础，更是今后高中力矩学习的起步。要有效地帮助学生建立力臂概念，需要我们明确它在教材中的呈现方式，以及在整个力学学习中的地位与作用。本文结合一些教学课例谈谈笔者的一些看法。

一、解读杠杆与力臂

杠杆虽是生产、生活中的简单机械，但对初中生来说却是一种较为复杂的机械。教材在介绍杠杆时选取了学生最易理解的一种状态来呈现，即杠杆的水平状态。这样，简化了对力臂的认识，简化了对转动效果的理解，在一定程度上顺应了学生的认知规律。

对于杠杆的五要素，无论是华师大版教材还是浙教版教材都用插图配合文字来进行说明。对于动力、支点，学生理解上没有太多的障碍，他们也能清楚地从中获知什么是力臂，力臂该怎么画。但如果按照学生的认知规律，仅仅以告知的方式来引出力臂概念，是无法真正起到有效建立概念的效果的。建立概念需要一个过程，所以从这个角度来说，在处理力臂概念时，在基于教材的同时大有文章可作。从充分地认识力臂到掌握杠杆的工作原理都需要给学生一个循序渐进认识概念的过程。按照目前的考试能力与要求，学生虽不熟悉“杠杆”这一简单机械在生产中的应用，但其在生活中的应用极其广泛，学生也较为熟悉，教师可以此为切入点进行相关教学引导。历年中考杠杆试题的物理背景很多都来源于生活中的器械，如2018年宁波市中考题中的“自动排水装置”、2018年台州市中考题中的“自动开合电水壶”等，这对学生分析与应用杠杆的工作原理有不小的要求。

转动效果是力作用效果的一种。在这之前，学生已对力的作用效果有一定的认识，知道力的三要素会影响力的作用效果。现阶段的学生会认为杠杆的转动效果也与力的三要素有关，也会有一些错误的认识。例如，力的大小、方向相同，作用点不同，所引起的转动效果一定不同，杠杆一定不能平衡。先前对力的认知，能促进新知的形成，但也能对新知的学习形成一定的干扰，所以在开展教学前我们需要对这些种种可能了解清楚，做到心中有数。在忽略摩擦的情况下，力的转动效果是由力的大小F和力臂L共同决定的，该知识就是力作用效果的细化部分，而力的大小和力臂就是对力的三要素的再认识，因此这部分内容在教材编排上起到了承上的作用。

高中物理用力矩概念表示力的转动效果，力矩计算公式为M=FL，它把杠杆的平衡这种特殊情况进行了更全面的说明、更高度的概括，所以对力臂的认识有启下的作用。

继“杠杆”内容之后，下一课时内容是“杠杆平衡条件的探究”，找准力臂是探究杠杆平衡条件的基础，也是归纳理解各种类型杠杆的特点及应用原理的保证。杠杆平衡是力矩平衡的最简单情形，有固定转动轴的物体的平衡条件是力矩的代数和为零，所以认识力臂是今后形成一系列相关规律的基础。

二、建立力臂概念

1.借助圆盘

图1是很多教师自制的教具，在一些疑难问题的研讨中经常会看到。圆形木板的圆心固定在铁架台上，从圆心出发画出一系列等距的同心圆，上面固定一些点用于挂钩码，水平杆上画上刻度，用于读数，两端配以平衡螺母。教材装置的力的作用点只能定在同一个杠杆上，而该装置则可以在更大的范围内改变力的作用点。这些同心圆有助于学生根据杠杆平衡条件归纳出力臂概念。这套装置最大的优点是直观，可以量化测量对比，可以解决力臂问题。但用该装置建立力臂概念是否合适还有待商榷。该装置从结构上看是一个变形的滑轮，无论是华师大版教材还是浙教版教材，知识顺序都是从杠杆到滑轮，在杠杆平衡基础上去认识滑轮的省力和费力问题，所以从知识角度来看，在水平直杆还没认识清楚的情况下，去分析圆形物体的受力，这大大增加了学生的理解难度，不如教材用直杆来介绍杠杆的五要素来得直观易懂。

2.开发直杆

图2是笔者在一次公开课上的尝试。将钩码和测力计作用在杠杆的同一侧，目的是为了便于操作者读数，同时避免测力计自身重力对实验的影响。如图2所示，在A点用力F1，B点用力F2使杠杆在水平位置平衡，说明力的作用点会影响杠杆平衡。回到A点用力F3，使杠杆水平平衡，比较力F1和F3，说明力的方向会影响杠杆的平衡。再在A点用力F4沿图示方向使杠杆平衡，使F3=F4，引发思考：为什么F3和F4的大小及作用点相同、方向不同却也能使杠杆在水平位置平衡呢？继而利用自制的纸制刻度尺，在零刻度处打孔固定在O点，测量点O到力F3和F4的垂直距离，得出力臂大小。虽然力求在教材原实验上寻求新的突破，但实际与理想的差距很大，测量时因操作角度不稳定，实验结果没有说服力。笔者经历了一次失败的尝试。

3.力臂概念建立再認识

在别人经验的基础上结合自身失败的尝试，笔者对力臂概念的建立进行了再认识。在处理这个问题时，笔者认为最首要的是要尊重学生的认知规律用最简单的实验来引导学生。如图3，将钩码和测力计分别作用在支点两侧，在A点用不同大小的拉力竖直向下拉杠杆，以说明力的大小影响杠杆水平平衡;在A点改变力的方向，以说明力的方向影响力的作用效果;在B点用更小的力就能使杠杆在水平位置平衡，说明力的作用点影响了力的作用效果。以上过程强化了学生对力的三要素与力的作用效果的认识。

如图4，在A、B、C三点分别用大小相同的力沿图示方向使杠杆处于水平平衡状态。三个力的大小相同，方向、作用点不同，但作用效果相同。在差异中求同。三次实验中杠杆水平平衡时有没有共同不变的量？引导学生深入思考，大胆猜想。如学生遇到困难，可以用添加辅助线的方法先解决力的作用线的问题，再进一步引导学生做出猜想。这种在一定的事实与证据的基础上进行猜想的方法是科学探究中的重要方法。这种在实验中所碰撞出来的猜想非常具有价值。

待学生做出猜想之后，教师可以在原器材的基础上再选几个点进行实验验证，然后借助上述圆盘器材，将探究性实验改为验证性实验，以促进学生更清晰地认识力臂的存在以及力臂概念。这样处理，细化了探究的步骤，使得学生不再完全依靠实验得出力臂概念。在实验中引发猜想，又在实验中验证猜想，更能引起学生的共鸣。

上述教学中，教师从学生的原认知出发，将教学顺序适当调整，基于学生的认知规律，降低学习难度，运用实验事实引发学生猜想，引导学生探究，最终得出结论，建立力臂概念。建立力臂概念的过程中，教师是学生学习的“助手”，是引导者，应顺应学生的认知规律，引导学生去有效建立概念。

（责任编辑 黄春香）