探究杠杆的平衡条件

湖北省十堰市郧阳区城关镇第一初级中学(442500) 陈约虎

1 教材分析

“探究杠杆的平衡条件”既是“力”的教学内容的延伸，又是后续教学“其他简单机械”的基础，这部分内容起着承上启下的作用。本节课的学习任务主要分三个部分：第一部分是认识杠杆，知道杠杆的五个要素，会画杠杆的力臂；第二部分是探究杠杆的平衡条件实验；第三个部分是杠杆平衡条件的应用。

2 学情分析

8年级学生虽然已经具备相关的物理知识和科学探究素养，但对杠杆的认识还很感性，比较肤浅、片面。因此，在教学中要鼓励学生积极地去观察、讨论、猜想、探究，由感性认识上升到理性认识，从中归纳出杠杆的特征及平衡条件。

3 实验教学目标

(1)知识与技能：通过实验探究得出杠杆的平衡条件。

(2)过程与方法：通过对杠杆的研究，培养学生的观察能力和用科学的方法解决问题的能力。

(3)情感态度与价值观：学生使用改进的实验仪器，渗透创新精神，培养学生的科学态度。

(4)教学重点：理解杠杆的平衡条件。

(5)教学难点:理解力臂的概念。

4 教法与学法

为了突出教学重点，突破教学难点，采用了以下的教法和学法。

(1)教法：主要采用演示实验法、引导启发法。

(2)学法：自主学习法、实验探究法、小组合作法。

5 实验器材

(1)自制的杠杆、铁架台、钩码、弹簧测力计、圆形刻度盘、重垂线、细线。

(2)便于测量力臂的长度。

6 实验设计思路

在实际操作中，学生很难判断杠杆是否在水平位置平衡，实验得出的仅仅是特殊情形下杠杆在水平位置平衡时的一个结论。实验结论不具有普遍性，不利于学生理解力臂的概念。

在改进实验装置中，为了让学生能准确地判断杠杆是否处于水平位置。在杠杆的支点处安装了一个简易的重垂线，利用重垂线判断杠杆是否在水平位置平衡，使零刻度线与重垂线重合，此时中间的轴线处于水平位置。实验时，若杠杆与中间的轴线重合，可以判断杠杆处于水平位置。

探究各种情形下的杠杆平衡实验。先将杠杆调平，在杠杆的两侧挂上数量不同的砝码，移动悬挂点的位置，使杠杆处于平衡状态。实验的关键在于测量力臂。笔者采用可转动的圆形刻度盘测出各种情形下杠杆平衡时力臂的长度。悬挂点的细线可以作为力的作用线，通过转动圆形刻度盘，使力的作用线与圆形刻度盘中的某条刻度线重合，此时该条刻度线所对应数值就是力臂的长度(见图1)。

实验装置改进如下：用质量较轻的铝合金作为杠杆，利用侧面的滑槽安装了两个线卡作为悬挂点。左端安装了平衡螺母，右端弯曲，设计成曲臂杠杆(见图2)。为了让学生明白力臂不一定在杠杆上，制作了可以转动的圆形刻度盘，零刻度在圆心上。刻度向两侧逐渐增大，每条刻度线与中间的轴线相互垂直。实验时将杠杆的支点位于零刻度处，调节平衡螺母使杠杆在水平位置平衡，实验过程中可以通过转动圆形刻度盘测出各种情形下杠杆平衡时力臂的长度。

图2 改进装置各部分名称

7 实验教学过程

7.1 提出问题

创设跷跷板情景，让学生想一想影响杠杆平衡可能与哪些因素有关？

7.2 猜想与假设

学生讨论后可能得出：影响杠杆平衡的因素可能与力、力臂有关。

7.3 实验方案设计

教师引导学生讨论并展示设计方案，然后完善实验方案，介绍实验装置的改进及使用方法。

7.4 进行实验与收集数据

根据设计的实验，学生亲自动手实际操作，探究杠杆的平衡条件。教师指导学生完成分组实验，各小组探究过程如下：①探究杠杆在水平和非水平位置的平衡(见图3)；②探究杠杆拉力在竖直和非竖直方向的平衡(见图4)；③探究曲臂杠杆的平衡(见图5)；④探究各种情形下杠杆的平衡。各小组进行实验并记录数据。

图3 探究杠杆在非水平位置的平衡

图4 探究杠杆在非竖直方向的平衡

图5 探究曲臂杠杆的平衡

7.5 分析与论证

教师引导学生对测量数据进行分析，学生交流、发言，得出杠杆的平衡条件是：动力×动力臂=阻力×阻力臂，公式表示为：F1L1=F2L2。

设计意图：采用科学探究式教学，通过讨论交流，引导学生理解实验方案与测量方法；通过学生分组实验，提升合作探究与动手实验能力、数据收集与处理能力；通过讨论、分析、论证等探究活动，提升科学思维与实验探究的物理学科核心素养。

8 实验效果评价

8.1 改进创新点

(1)改进装置中，利用重垂线让学生准确地判断杠杆是否处于水平位置，有利于培养学生严谨的科学态度。

(2)利用改进后的实验装置，探究多种情形下杠杆的平衡实验，有利于发展学生的科学思维能力，也使得出的结论更具有普遍性。

(3)突破了力臂测量的难点，有利于学生理解掌握力臂的概念。

8.2 教学方式改变

在整个教学过程中，学生积极主动参与科学探究过程，达成了教学目标，提高了学生的实验探究能力，培养了学生的创新精神和学科核心素养。

8.3 反思及改进

下一步考虑对圆形刻度盘再进行改进，使实验仪器精确度更高，直观性更强，测量更方便。