黃 杰

(南京中華中學(xué)，江蘇 南京 210000)

由習(xí)題的斟酌引出的創(chuàng)新實驗
——測人體重心的設(shè)計和實踐

黃 杰

(南京中華中學(xué)，江蘇 南京 210000)

由習(xí)題的斟酌,借助杠桿原理創(chuàng)新實驗來測量人體的重心．強化了相似三角形在杠桿問題中的應(yīng)用,又通過學(xué)生的家庭實驗來實踐,分析得到人體的重心位置,同時發(fā)現(xiàn)腳到重心的距離與身高的比值有一定的規(guī)律性．該實驗設(shè)計和操作較為方便,效度高,具有一定的價值．

重心;杠桿原理;相似三角形

圖1

中學(xué)物理教學(xué)中,常見找重心的方法主要有: (1) 質(zhì)地均勻、外形規(guī)則物體的重心,在它的幾何中心上．例如，均勻細(xì)棒的重心在它的中點;球的重心在球心;方形薄木板的重心在兩條

對角線的交點．(2) 質(zhì)地不均勻、形狀不規(guī)則物體的重心可用懸掛法來確定,如圖1所示．

本文借助杠桿典型例題,依據(jù)杠桿原理,挖掘試題編制過程中的不足,轉(zhuǎn)換思路,巧妙地測量人體重心的大概位置,同時發(fā)現(xiàn)腳到重心的距離與身高的比值有一定的規(guī)律性．本文的設(shè)計和實驗,既是對杠桿知識的整合提高,也是學(xué)生課后家庭實驗的重要素材．

圖2

1 習(xí)題原型

如圖2所示,小華正在做俯臥撐,可以將他的身體看作一個杠桿,O為支點,A為他的重心,相關(guān)長度已在圖中標(biāo)明,已知他的重力600N．求圖示時刻地面對雙手的支持力F．

解析: 此題依據(jù)杠桿原理F1l1=F2l2,可以方便求得F1=400N．

2 試題商榷

題中指出“A為他的重心”,直接告訴學(xué)生重心在A點,確實便于此題的求解．但在實際生活中,人體的重心有很多影響因素,比如性別、胖瘦、手臂的位置等等,重心具有很大不確定性．因為重心的不確定性,還會導(dǎo)致阻力臂L2也無法測出．因此,此題的設(shè)置具有一定的主觀性．

但不難發(fā)現(xiàn),重力可以通過體重計測出,手和地面的支持力也可以通過體重計測出．因此可以將試題中的支持力變?yōu)橐阎?結(jié)合杠桿原理,給測出重心提供了新方案．

3 建立模型

在圖2的基礎(chǔ)上,我們建立利用人做俯臥撐來測重心的簡單模型,如圖3所示,測出人的重力G,地面對雙手的支持力F,人腳到肩部的距離．

圖3

圖4

4 實驗過程及分析

指導(dǎo)學(xué)生完成實驗設(shè)計后,引導(dǎo)學(xué)生在家長的配合下進行家庭實驗,如圖5～7是某學(xué)生的實驗過程．

學(xué)生在家長的協(xié)助下,進行實驗,分析數(shù)據(jù),通過計算,找出自己做俯臥撐時身體的重心,表1記錄和處理了學(xué)生家庭實驗中的幾組實驗數(shù)據(jù)．

圖5 腳到肩的距離

通過實驗數(shù)據(jù)可以總結(jié),在做俯臥撐時,腳到重心的距離與身高的比值(H/L)有如下規(guī)律性.

(1) 男生比值(H/L)約為0.54或0.55;

(2) 女生比值(H/L)約為0.57或0.58;

(3) 偏瘦的學(xué)生比值比正常值略微偏小,偏胖的學(xué)生比正常值略微偏大;

(4) 一般情況下,女生比值(H/L)比男生大.

表1 利用俯臥撐測重心模型的實驗表格

5 教學(xué)總結(jié)和反思

實驗表明不同體態(tài)的人,重心位置確實不同,而腳到重心的距離與身高的比值(H/L)有一定的規(guī)律性,這也恰好反映了初中學(xué)生身體結(jié)構(gòu)的不同,男女有別,胖瘦不同．由于實驗是在家庭環(huán)境中進行的,我們還要注意以下幾點,可以減小誤差: (1) 因為體重計有一定的高度,做俯臥撐時,手和腳不在一個水平面,如圖7,會產(chǎn)生相應(yīng)的誤差,可以在腳部墊幾本書; (2) 測量時,要穿少量衣服,減小對實驗結(jié)果的干擾; (3) 俯臥撐時要盡量保持身體是一條直線,手與地面豎直．

1 黃杰.凸透鏡成像教具生活化的實踐探索[J].物理教師,2016(6)：34-35.

2 謝杰妹，陳顯盈.自制“記憶型”彈簧秤設(shè)計“機械能守恒”創(chuàng)新實驗[J].物理教師，2015(11)：25-27.

2016-09-19)