通过自制教具实现杠杆实验的改进及拓展

黄淑静

(浙江省宁波大学附属学校，浙江 宁波 315000)

1 教材中杠杆实验存在的不足

图1 教材中的杠杆

“杠杆”是华师大版科学九年级上册第5章“功和简单机械”第1节的内容.教材中采用如图1所示的器材让学生进行探究实验,通过改变左右两边钩码的数目,让杠杆保持水平平衡,从而得出“动力×动力臂=阻力×阻力臂”这个结论.

该实验器材主要存在以下几个不足: ① 此杠杆仅在水平平衡状态下进行实验,使学生对杠杆平衡状态的认识存在偏差,认为只有在水平位置平衡才是平衡,杠杆倾斜就不是平衡; ② 由于此杠杆力臂读数的刻度就标在杠杆上,对杠杆力臂所在的位置有所误导,会有部分学生认为力臂总是在杠杆上,对力臂概念的掌握制造了障碍; ③ 该器材导致了学生对杠杆种类的认识不全面,认为只有直的硬棒才是杠杆,弯曲的就不是杠杆; ④ 用钩码来提供拉力和阻力,仅能提供竖直向下的力.而使用弹簧测力计来提供力,虽然能够改变力的方向,但是却难以保证力的恒定; ⑤ 由于该器材使用方式有限,学生容易对力臂的概念存在误解,认为力臂是“力的作用点到支点的距离”.

杠杆知识是前面力学知识的延续,也是后面学习滑轮、滑轮组等知识的基础,是力学的重点内容.所以对本实验的改进显得尤为重要.

2 新型杠杆试验仪

该新型杠杆实验仪成品如图2所示,主要由可弯折轻质杠杆、可移动滑轮、可旋转力臂读数盘3部分构成.

图2 新型杠杆实验仪

2.1 可弯折轻质杠杆的构造及用途

为避免学生出现“只有直的硬棒才是杠杆”这样的错误认知,笔者设计了如图3所示的可弯折轻质杠杆.使用密度较小的铝材,能够减小杠杆本身重力对实验的影响,将直铝条分为3段,钻孔后用蝶形螺丝相连接,操作者手动即可调节杠杆弯折程度,无需借助工具,使用更加方便.在铝条的两端加装平衡螺母,用于调节杠杆平衡,增加实验的准确性.该杠杆的重心和支点重合,能够在任意角度保持平衡.

图3 可弯折轻质杠杆

杠杆上无刻度,避免学生产生“力臂总在杠杆上”的错误认知,也可以在非水平平衡状态下进行“杠杆平衡条件”的实验探究,使结论更具普遍性.可弯折杠杆曲直可变,在课堂里能够模拟生活中各式各样的杠杆,有效避免学生产生单一片面的杠杆认识,使实验器材变得生活化.其次通过对弯曲杠杆力臂的分析,能够加深学生对杠杆工作原理的学习,更容易将知识迁移,用于解释一些生活中难度较大杠杆的原理.同时也能对下一步学习杠杆的分类打下坚实的基础.通过对异形杠杆的教学,可为后面滑轮的学习奠定基础,同时也提高了学生使用工具的能力和物理模型运用的能力.

2.2 可移动滑轮的构造及用途

该实验仪的最外圈安装了环形轨道,并在轨道上安装了两个定滑轮,如图4所示.定滑轮用蝶形螺丝固定在轨道上,也可根据实验需要移动至轨道的任意位置并固定,方便进行各类杠杆实验的拓展.

图4 可移动滑轮

原实验装置中使用钩码仅可提供竖直向下的力,为模拟生活中的各类杠杆造成了很大的局限.可移动滑轮的设计,不仅提供了360°任意方向上的力,而且优化了使用弹簧测力计不能保证力恒定的缺点,提高了实验的准确性,为杠杆教学提供多种可能.

2.3 可旋转力臂读数盘的构造及用途

可旋转力臂读数盘(以下简称“读数盘”),由一块圆形木板及可拆卸的方格纸构成,读数盘悬挂于支架上方可绕圆心进行转动,读数盘上附上方格纸,取其中一条直径画出并标上刻度,与该刻度垂直的有很多线段,每条线段相隔1 mm,保证了力臂读数的准确性.使用时,无论力的方向如何,旋转力臂读数盘,使细棉线(即力的作用线),与读数盘上的某一线段重合,再顺着这根线段向上,找到线段与刻度的交点,读出示数,就是该力臂的长度,如图5所示.

力臂的定义是力的作用线到支点的垂直距离.当我们使用读数盘进行读数时,将力的作用线转化为读数盘上的线段,而支点到力的作用线的距离,就是线段与刻度的交点到支点的距离,而在交点上又已经直接标出了刻度,读数非常方便,操作也很简单.

图5 可旋转力臂读数盘

读数盘上附着的是可拆卸的方格纸,学生可以在实验操作过程中在方格纸上直接画出力的作用线,再于实验后将方格纸拆下并作图,通过总结归纳得出力臂的概念,有效破解力臂难点,帮助学生扫清概念建立障碍,并且能够提升作图能力,一举多得.

3 新型杠杆实验仪的拓展应用

3.1 常规用法和斜拉用法

新型杠杆实验仪在教学时可以先从常规用法入手如图6(a)所示,杠杆在水平位置平衡,用于探究“杠杆的平衡条件”.这时候学生很容易得出错误结论:动力×动力作用点到支点的距离=阻力×阻力作用点到支点的距离.此时教师再顺势改变力的方向及力的作用点如图6(b)所示,造成学生的认知冲突,从而推翻前面的错误结论.教师鼓励学生重新进行探究,最后得出动力×动力臂=阻力×阻力臂这个结论.新型杠杆实验仪从常规用法拓展到斜拉用法,有效破除了学生对于力臂概念的错误认识,而且有利于学生巩固杠杆5要素的相关知识.

图6 常规用法和斜拉用法

图7 异形杠杆

3.2 异形杠杆

图8 两力同侧

生活中的杠杆类型多种多样,直臂杠杆只是其中一小部分,新型杠杆实验仪的使用弥补了教材实验的单一,更加贴近学生的实际生活(如图7).如学生在生活中使用频率较高的一些器械并非直臂杠杆,如指甲钳、羊角锤、剪刀等等,可以通过课堂实验,让学生更好地在已有生活经验的基础上学习杠杆,体会到物理与生活的密切联系.

3.3 两力同侧

新型杠杆实验仪通过改变定滑轮的位置,将杠杆的动力与阻力置于支点同侧(如图8),这种模型是对实验室常规模型的拓展,也是生活中两力同侧杠杆的体现,例如说船桨、筷子、镊子等.让学生在学习了前面几种杠杆模型的基础上,自主进行该模型的学习,找出该模型的杠杆5要素,并认识到两个力必须让杠杆处于不同方向的运动时才能使杠杆保持平衡,扫清杠杆易错点.

3.4 最小力的探究和杠杆的动态平衡

图9 最小力的探究和杠杆的动态平衡

习题中常常碰见异形杠杆的最小力的作图题,请学生画出作用在某点的最小力的示意图.在日常教学中,教师往往教学生连接该点与支点,并过该点作线段的垂线.通过这种方式,学生能够很快地掌握题目,但却不明白背后的原理,违背了物理教学的初衷,不利于学生物理核心素养的发展.使用新型杠杆实验仪,可以将异形杠杆最小力的求解题目还原,让学生自己通过实验,改变力的角度,并读出不同角度下弹簧测力计的示数(如图9).经过探究发现,要使力最小,必须使力臂最长,那么作用点与支点的距离便为力臂的最大值.同时通过亲身体验得出的结论,使得学生在画力的示意图时不易搞错方向,使知识进一步内化.

杠杆的动态平衡也是生活中十分常见的现象,当杠杆5要素中的某一要素改变,那其他要素会跟着如何进行变化呢?新型杠杆实验仪也可以解决这个问题,通过实物展示和数据的改变,使学生更直观地看到每一个要素的变化.先通过实验观察各项要素的改变,再结合杠杆平衡条件进行理论分析,实践和理论的结合使学生更好地理解这一类动态平衡的问题,顺利实现难点突破.

4 总结

针对教科书中“探究杠杆的平衡条件”实验的不足,设计了新型杠杆实验仪,弥补了原实验的各类不足,丰富了杠杆实验的内容,提升了课堂的深度和广度.最重要的是通过本实验仪的演示,让学生亲历“力臂”概念的形成和发展过程,使知识由抽象化为形象,由复杂变简单，并让学生在探究过程中掌握和理解概念,突破各类认知误区.将生活实际和物理实验紧密结合在一起,不仅能够培养学生的思维能力、观察能力,还将课堂由传统的传授式变为探究式,进一步提高了物理课堂的效率.