黃淑靜

(浙江省寧波大學附屬學校，浙江 寧波 315000)

1 教材中杠桿實驗存在的不足

圖1 教材中的杠桿

“杠桿”是華師大版科學九年級上冊第5章“功和簡單機械”第1節(jié)的內容.教材中采用如圖1所示的器材讓學生進行探究實驗,通過改變左右兩邊鉤碼的數目,讓杠桿保持水平平衡,從而得出“動力×動力臂=阻力×阻力臂”這個結論.

該實驗器材主要存在以下幾個不足: ① 此杠桿僅在水平平衡狀態(tài)下進行實驗,使學生對杠桿平衡狀態(tài)的認識存在偏差,認為只有在水平位置平衡才是平衡,杠桿傾斜就不是平衡; ② 由于此杠桿力臂讀數的刻度就標在杠桿上,對杠桿力臂所在的位置有所誤導,會有部分學生認為力臂總是在杠桿上,對力臂概念的掌握制造了障礙; ③ 該器材導致了學生對杠桿種類的認識不全面,認為只有直的硬棒才是杠桿,彎曲的就不是杠桿; ④ 用鉤碼來提供拉力和阻力,僅能提供豎直向下的力.而使用彈簧測力計來提供力,雖然能夠改變力的方向,但是卻難以保證力的恒定; ⑤ 由于該器材使用方式有限,學生容易對力臂的概念存在誤解,認為力臂是“力的作用點到支點的距離”.

杠桿知識是前面力學知識的延續(xù),也是后面學習滑輪、滑輪組等知識的基礎,是力學的重點內容.所以對本實驗的改進顯得尤為重要.

2 新型杠桿試驗儀

該新型杠桿實驗儀成品如圖2所示,主要由可彎折輕質杠桿、可移動滑輪、可旋轉力臂讀數盤3部分構成.

圖2 新型杠桿實驗儀

2.1 可彎折輕質杠桿的構造及用途

為避免學生出現“只有直的硬棒才是杠桿”這樣的錯誤認知,筆者設計了如圖3所示的可彎折輕質杠桿.使用密度較小的鋁材,能夠減小杠桿本身重力對實驗的影響,將直鋁條分為3段,鉆孔后用蝶形螺絲相連接,操作者手動即可調節(jié)杠桿彎折程度,無需借助工具,使用更加方便.在鋁條的兩端加裝平衡螺母,用于調節(jié)杠桿平衡,增加實驗的準確性.該杠桿的重心和支點重合,能夠在任意角度保持平衡.

圖3 可彎折輕質杠桿

杠桿上無刻度,避免學生產生“力臂總在杠桿上”的錯誤認知,也可以在非水平平衡狀態(tài)下進行“杠桿平衡條件”的實驗探究,使結論更具普遍性.可彎折杠桿曲直可變,在課堂里能夠模擬生活中各式各樣的杠桿,有效避免學生產生單一片面的杠桿認識,使實驗器材變得生活化.其次通過對彎曲杠桿力臂的分析,能夠加深學生對杠桿工作原理的學習,更容易將知識遷移,用于解釋一些生活中難度較大杠桿的原理.同時也能對下一步學習杠桿的分類打下堅實的基礎.通過對異形杠桿的教學,可為后面滑輪的學習奠定基礎,同時也提高了學生使用工具的能力和物理模型運用的能力.

2.2 可移動滑輪的構造及用途

該實驗儀的最外圈安裝了環(huán)形軌道,并在軌道上安裝了兩個定滑輪,如圖4所示.定滑輪用蝶形螺絲固定在軌道上,也可根據實驗需要移動至軌道的任意位置并固定,方便進行各類杠桿實驗的拓展.

圖4 可移動滑輪

原實驗裝置中使用鉤碼僅可提供豎直向下的力,為模擬生活中的各類杠桿造成了很大的局限.可移動滑輪的設計,不僅提供了360°任意方向上的力,而且優(yōu)化了使用彈簧測力計不能保證力恒定的缺點,提高了實驗的準確性,為杠桿教學提供多種可能.

2.3 可旋轉力臂讀數盤的構造及用途

可旋轉力臂讀數盤(以下簡稱“讀數盤”),由一塊圓形木板及可拆卸的方格紙構成,讀數盤懸掛于支架上方可繞圓心進行轉動,讀數盤上附上方格紙,取其中一條直徑畫出并標上刻度,與該刻度垂直的有很多線段,每條線段相隔1 mm,保證了力臂讀數的準確性.使用時,無論力的方向如何,旋轉力臂讀數盤,使細棉線(即力的作用線),與讀數盤上的某一線段重合,再順著這根線段向上,找到線段與刻度的交點,讀出示數,就是該力臂的長度,如圖5所示.

力臂的定義是力的作用線到支點的垂直距離.當我們使用讀數盤進行讀數時,將力的作用線轉化為讀數盤上的線段,而支點到力的作用線的距離,就是線段與刻度的交點到支點的距離,而在交點上又已經直接標出了刻度,讀數非常方便,操作也很簡單.

圖5 可旋轉力臂讀數盤

讀數盤上附著的是可拆卸的方格紙,學生可以在實驗操作過程中在方格紙上直接畫出力的作用線,再于實驗后將方格紙拆下并作圖,通過總結歸納得出力臂的概念,有效破解力臂難點,幫助學生掃清概念建立障礙,并且能夠提升作圖能力,一舉多得.

3 新型杠桿實驗儀的拓展應用

3.1 常規(guī)用法和斜拉用法

新型杠桿實驗儀在教學時可以先從常規(guī)用法入手如圖6(a)所示,杠桿在水平位置平衡,用于探究“杠桿的平衡條件”.這時候學生很容易得出錯誤結論:動力×動力作用點到支點的距離=阻力×阻力作用點到支點的距離.此時教師再順勢改變力的方向及力的作用點如圖6(b)所示,造成學生的認知沖突,從而推翻前面的錯誤結論.教師鼓勵學生重新進行探究,最后得出動力×動力臂=阻力×阻力臂這個結論.新型杠桿實驗儀從常規(guī)用法拓展到斜拉用法,有效破除了學生對于力臂概念的錯誤認識,而且有利于學生鞏固杠桿5要素的相關知識.

圖6 常規(guī)用法和斜拉用法

圖7 異形杠桿

3.2 異形杠桿

圖8 兩力同側

生活中的杠桿類型多種多樣,直臂杠桿只是其中一小部分,新型杠桿實驗儀的使用彌補了教材實驗的單一,更加貼近學生的實際生活(如圖7).如學生在生活中使用頻率較高的一些器械并非直臂杠桿,如指甲鉗、羊角錘、剪刀等等,可以通過課堂實驗,讓學生更好地在已有生活經驗的基礎上學習杠桿,體會到物理與生活的密切聯系.

3.3 兩力同側

新型杠桿實驗儀通過改變定滑輪的位置,將杠桿的動力與阻力置于支點同側(如圖8),這種模型是對實驗室常規(guī)模型的拓展,也是生活中兩力同側杠桿的體現,例如說船槳、筷子、鑷子等.讓學生在學習了前面幾種杠桿模型的基礎上,自主進行該模型的學習,找出該模型的杠桿5要素,并認識到兩個力必須讓杠桿處于不同方向的運動時才能使杠桿保持平衡,掃清杠桿易錯點.

3.4 最小力的探究和杠桿的動態(tài)平衡

圖9 最小力的探究和杠桿的動態(tài)平衡

習題中常常碰見異形杠桿的最小力的作圖題,請學生畫出作用在某點的最小力的示意圖.在日常教學中,教師往往教學生連接該點與支點,并過該點作線段的垂線.通過這種方式,學生能夠很快地掌握題目,但卻不明白背后的原理,違背了物理教學的初衷,不利于學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展.使用新型杠桿實驗儀,可以將異形杠桿最小力的求解題目還原,讓學生自己通過實驗,改變力的角度,并讀出不同角度下彈簧測力計的示數(如圖9).經過探究發(fā)現,要使力最小,必須使力臂最長,那么作用點與支點的距離便為力臂的最大值.同時通過親身體驗得出的結論,使得學生在畫力的示意圖時不易搞錯方向,使知識進一步內化.

杠桿的動態(tài)平衡也是生活中十分常見的現象,當杠桿5要素中的某一要素改變,那其他要素會跟著如何進行變化呢?新型杠桿實驗儀也可以解決這個問題,通過實物展示和數據的改變,使學生更直觀地看到每一個要素的變化.先通過實驗觀察各項要素的改變,再結合杠桿平衡條件進行理論分析,實踐和理論的結合使學生更好地理解這一類動態(tài)平衡的問題,順利實現難點突破.

4 總結

針對教科書中“探究杠桿的平衡條件”實驗的不足,設計了新型杠桿實驗儀,彌補了原實驗的各類不足,豐富了杠桿實驗的內容,提升了課堂的深度和廣度.最重要的是通過本實驗儀的演示,讓學生親歷“力臂”概念的形成和發(fā)展過程,使知識由抽象化為形象,由復雜變簡單，并讓學生在探究過程中掌握和理解概念,突破各類認知誤區(qū).將生活實際和物理實驗緊密結合在一起,不僅能夠培養(yǎng)學生的思維能力、觀察能力,還將課堂由傳統(tǒng)的傳授式變?yōu)樘骄渴?進一步提高了物理課堂的效率.