“探究杠杆的平衡条件”实验改进

“探究杠杆的平衡条件”是课程标准规定的学生必做探究类实验之一。在实际教学过程中，我发现教材中的实验方案会对学生的学习造成诸多困扰，因此我对其进行了改进。

一、教材实验方案及缺点

通过查阅不同版本的物理教材，包括沪粤版、人教版和北师大版，我发现教材中关于“探究杠杆的平衡条件”实验方案都是相同的，如图1所示。

教材中的实验方案为：首先调节杠杆两端的螺母，使杠杆处于水平平衡状态，接着在杠杆两边分别挂上数量不同的钩码，用F1、F2表示钩码的拉力，用L1、L2表示钩码离开O点的距离，再改变钩码数量和它们离开O点的距离，使杠杆处于水平平衡状态，记录各次实验所得的数据。

在这个实验方案中，杠杆始终保持水平平衡状态，力始终在竖直方向，其优点是方便测量力臂，便于学生直接在杠杆上读出力臂的大小，但存在以下缺点。

1.学生会误以为只有水平位置才是平衡位置。

当教材装置的杠杆不在水平位置时，学生很难测量出力臂。因此，在每次做实验时，我都会让学生确保杠杆处于水平平衡状态。

实际上，杠杆平衡并不一定需要在水平位置，杠杆平衡的条件可以在杠杆的任意位置实现。在实验过程中总是使杠杆保持水平平衡，可能会让学生误认为杠杆只有在水平位置时才能实现平衡。

2.学生容易误以为力臂就是支点到力的作用点的距离。

每次实验时，学生都会让杠杆处于水平平衡状态，力的方向始终处于竖直方向，这样力臂刚好等于支点到力的作用点的距离。由此，很多学生误以为力臂就是支点到力的作用点的距离。

杠杆的水平平衡不具有普遍性，在实际情况中，杠杆能在非水平位置实现平衡，此时力的方向可能与杠杆不垂直，力臂也不一定在杠杆上。实验中始终使杠杆保持水平平衡状态，不利于学生认识力臂的本质。

3.学生凭感觉判断杠杆是否水平平衡，而“感觉”不能作为科学依据。

学生在进行杠杆实验时，仅凭直观感受去判断杠杆是否达到水平平衡状态，虽然方法简单直接，但这是一种较为主观的做法。科学探索讲究的是客观事实与精确测量，而非个人的“感觉”。

二、创新实验方案及装置

我在教学过程中发现，只要对现有器材稍加改造，就可以避免上述困扰。具体而言，利用一小段线槽、一把刻度尺（也可在线槽上自画刻度）、三根线和一个钩码即可完成改造。

1.在线槽上贴上刻度尺，并在中间打孔，如图2所示。

2.微调刻度尺长度，使其刚好水平平衡，水平位置利用自制水平仪判定，如图3所示。

3.将原杠杆放在刚做好的刻度尺前，如图4所示。

三、改进后的方案优点

1.水平平衡有依据。

改进后的实验方案使用水平仪来检测杠杆是否完全水平，从而更科学地验证平衡状态。这样做不仅能增强实验的严谨性，还能培养学生以科学的态度解决问题的能力。

2.杠杆不限于水平位置平衡，在各个位置平衡时都可以读出力臂。

如图5所示，杠杆在非水平位置平衡，利用一根线可构造出直角三角形，从自制刻度尺上可直接读出力臂，将线向上拉即可读出右边的力臂。这样既能加强学生对平衡位置的理解，又能深化学生对力臂的认识。

3.力不限于竖直方向，各个方向的力都可以读出力臂。

如图6所示，无论杠杆在哪个位置平衡，无论力在哪个方向，利用一根线都可构造出直角三角形，从自制刻度尺上即可读出力臂。

4.学生借助装置可深入理解知识。

利用改进方案中的装置授课，有助于学生深入理解力臂和平衡位置，深化对杠杆平衡条件的认识。学生不会误以为支点到力的作用点的距离就是力臂，也不会认为只有水平平衡才是平衡位置。而且在改进的实验装置中，杠杆可以在各个方向平衡，实验的结论更具科学性和普遍性。

四、检验应用

这是2019年安徽省中考题目：

如图7所示，一轻杆AB悬于O点，其左端挂一重物，右端施加一个与水平方向成30°的力F，此时轻杆水平平衡。若重物质量m＝3 kg，BO＝3AO，g取10 N/kg，则力F的大小为N。

我担任学校八年级四个班级的物理教师，在其中两个班用教材传统实验方案开展教学，在另外两个班用自制的创新实验方案开展教学。同时，我将此题添加至课堂小测中，以检验四个班级的教学效果。

结果显示，使用教材传统实验方案进行学习的两个班级，总共只有5名同学给出了正确答案，大多数同学都认为答案是10 N。究其原因，很多同学误将OB当作力F的力臂。

相比之下，采用我自制的创新实验方案进行学习的另外两个班级，总共有29名学生答对了题目，正确率是前者的近6倍。这说明，创新实验方案能显著提升教学效果，帮助学生更好地理解和掌握知识点。

五、结语

本改进方案中所用装置制作简单，操作方便，而且经过检验发现对学生的学习有很大帮助，比如经过力臂的建构过程，学生可以更好地理解力臂的本质，这有效地突破了教学难点；改进装置中的杠杆不限于水平平衡位置，力不限于竖直方向，使结论更具科学性和普遍性。

好的教育应该是面向未来的教育，“创新”是时代的主题。我们在学生心中撒下创新的种子，相信一定会生根、发芽、开花。

[此论文为课题“‘双减’背景下初中物理课外创新实验研究”（课题批准号为：mjy2022081）的研究成果。]

（特约编辑" 蓝泳茵）