張新旭 王文清

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭師范學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

力臂演示器的設(shè)計(jì)制作

張新旭 王文清①

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭師范學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

運(yùn)用帶均勻小孔的ABS板，設(shè)計(jì)、制作的“力臂演示器”可以幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中認(rèn)識(shí)到力對(duì)杠杠的轉(zhuǎn)動(dòng)作用與“力臂”的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而為學(xué)生建構(gòu)“力臂”概念奠定基礎(chǔ).

力臂；演示器；制作

在初中物理教學(xué)中，學(xué)生建構(gòu)“力臂”概念時(shí)存在一定困難.一線(xiàn)教師為了讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究來(lái)建構(gòu)“力臂”的概念，設(shè)計(jì)、制作了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，主要有以下兩類(lèi)：

第一，如圖1是教學(xué)中常用的“探究杠桿平衡條件”的實(shí)驗(yàn)裝置，它的主要作用是探究杠杠的平衡條件.因杠桿平衡恰在水平位置，此時(shí)“支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離”與“支點(diǎn)到力的作用線(xiàn)的距離”恰好重合，這容易引起學(xué)生對(duì)“力臂”概念的錯(cuò)誤理解.

第二，對(duì)前一裝置的改良，大概有以下三種：

(1) 如圖2所示，用彈簧測(cè)力計(jì)代替杠桿一側(cè)鉤碼；在支點(diǎn)處安裝一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)、伸縮的裝置標(biāo)志“力的作用線(xiàn)”和“力臂”.

此實(shí)驗(yàn)裝置的不足是：手動(dòng)控制彈簧測(cè)力計(jì)時(shí)穩(wěn)定性差，實(shí)驗(yàn)原理的解釋比較復(fù)雜.

(2) 如圖3所示，在支架上裝上一個(gè)定滑輪，杠桿的右端固定一個(gè)細(xì)繩使其通過(guò)定滑輪懸掛鉤碼，由支點(diǎn)到細(xì)繩的距離來(lái)標(biāo)志“力臂”.

此實(shí)驗(yàn)裝置的不足是：實(shí)驗(yàn)裝置需要讓學(xué)生理解定滑輪的作用后才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，而講述滑輪的工作原理要應(yīng)用到杠桿原理，在知識(shí)順序上不夠合理.同時(shí)“力臂”的標(biāo)志不夠明顯.

圖3

(3) 如圖4所示，杠桿右側(cè)與水平方向呈30°夾角，兩端安裝配重夾，使杠桿平衡.畫(huà)出“力的作用線(xiàn)”，以標(biāo)志“力臂”.

圖4

此實(shí)驗(yàn)裝置的不足是：采用帶有配重夾的彎折杠桿會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生疑問(wèn).在標(biāo)志“力的作用線(xiàn)時(shí)”需將杠桿移動(dòng)至黑板上，使操作過(guò)程變得繁瑣.

通過(guò)對(duì)以上實(shí)驗(yàn)裝置的分析、借鑒，筆者設(shè)計(jì)、制作了“力臂演示器”，如圖5所示，此實(shí)驗(yàn)裝置操作過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)“力的作用線(xiàn)”的標(biāo)志更加明顯，學(xué)生利用生活經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有的知識(shí)水平，就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，易于幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)力對(duì)杠杠的轉(zhuǎn)動(dòng)作用以及力臂的概念.

1 制作材料

鐵架臺(tái)一個(gè)，長(zhǎng)347mm、寬60mm、帶均勻小孔(小孔直徑3mm)的ABS板材一塊，外徑5mm、內(nèi)徑4mm、長(zhǎng)32mm的玻璃管一根，鋁絲兩根等.

2 裝置結(jié)構(gòu)

如圖5所示，取一塊帶均勻小孔(小孔大小相同，小孔的間距也完全相同)的ABS板作為杠桿，在板的上方正中固定一個(gè)水平儀，通過(guò)觀察水平儀中液泡，可以確定杠桿處于水平平衡狀態(tài)；取一個(gè)鐵架臺(tái)作為支架，將一個(gè)大小適中的螺絲固定在鐵架臺(tái)上；ABS板上橫向小孔數(shù)為奇數(shù)，中間位置一豎排小孔均可套在鐵架臺(tái)的桿上作為支點(diǎn)，在兩側(cè)懸掛兩個(gè)完全相同的細(xì)鋁絲掛鉤用于懸掛鉤碼.

圖5

3 制作方法

圖6

(1) 杠桿的制作

如圖6所示，所取ABS板，橫向89個(gè)小孔，豎向13個(gè)小孔，使板材中間位置豎排任一小孔套在鐵架臺(tái)的桿上時(shí)，可處于平衡狀態(tài).為了便于觀察，將板材每三橫排小孔和每七豎排小孔的相交處作為懸掛掛鉤的小孔，用記號(hào)筆將其標(biāo)志出來(lái).

(2) 水平儀的制作

如圖7所示，在玻璃管的一端涂上大力膠，待其凝固之后，向玻璃管內(nèi)加水并留有適量的空氣，將玻璃管的另一端也涂上大力膠、封口.

圖7

4 操作方法

(1) 組裝演示裝置，取適量鉤碼，用掛鉤掛在支點(diǎn)左右兩側(cè)同一橫排黑線(xiàn)所標(biāo)志的小孔上，使杠桿處于平衡狀態(tài)；

(2) 保持左側(cè)掛鉤懸掛位置不變，將右側(cè)掛鉤懸掛點(diǎn)左右移動(dòng)，觀察杠桿是否平衡；

(3) 保持左側(cè)掛鉤懸掛位置不變，再將右側(cè)掛鉤懸掛點(diǎn)上下移動(dòng)，觀察杠桿是否平衡；

(4) 讓學(xué)生思考：為什么右側(cè)砝碼懸掛點(diǎn)左右移動(dòng)時(shí)杠桿不平衡，而上下移動(dòng)時(shí)(力的作用點(diǎn)發(fā)生了變化)杠桿依然平衡？由此分析并認(rèn)識(shí)“支點(diǎn)到力的作用線(xiàn)的距離”對(duì)杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)作用，進(jìn)而建立“力臂”的概念.

5 結(jié)語(yǔ)

本演示裝置的杠桿支點(diǎn)及力的作用點(diǎn)均可以有多種選擇，而力的作用線(xiàn)的標(biāo)志更加明顯.在幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)力對(duì)杠杠的轉(zhuǎn)動(dòng)作用與“支點(diǎn)到力的作用線(xiàn)的距離”的關(guān)聯(lián)時(shí)，更加方便、簡(jiǎn)明.

[1] 姜蘭，孫偉.平面鏡成像實(shí)驗(yàn)和引入力臂實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].基礎(chǔ)教育研究，2013，(6).

[2] 王愛(ài)生.利用生活經(jīng)驗(yàn)突破“臂教”難點(diǎn)初探[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2005，(8).

[3] 盧軍委.創(chuàng)設(shè)“沖突”情景 建構(gòu)“力臂”概念[J].物理教師，2013，(6).

[4] 朱向陽(yáng).通電平行直導(dǎo)線(xiàn)相互作用演示裝置[J].物理之友，2015，(3).

①名師簡(jiǎn)介：王文清(1962— )，男，山西保德人，博士，內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭師范學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師,《物理之友》編委，主要研究物理課程與教學(xué)論.