安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)(231551) 劉信生

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在不足之處

探究杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)是初中物理教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。無論是演示實(shí)驗(yàn)還是分組實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)杠桿在水平位置平衡，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論是杠桿平衡中最簡單、最常見的特例，教材只安排這一簡單的探究，目的是降低實(shí)驗(yàn)探究的難度。讓學(xué)生在這種特殊的情況——水平平衡狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，總結(jié)得出杠桿平衡原理，在實(shí)際教學(xué)中有以下不足之處：

(1)學(xué)生狹義地理解為杠桿只有在水平位置才能平衡，力臂就是支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)之間的長度。

(2)將鉤碼的重力換作彈簧測(cè)力計(jì)的拉力，特別是傾斜的拉力作用，其力臂的測(cè)量難度較大。

(3)即使采用垂直于作用力的刻度尺，也只能勉強(qiáng)測(cè)量出力臂，且需要多人合作，測(cè)量數(shù)據(jù)誤差大。

(4)學(xué)生在實(shí)操中無法體驗(yàn)任意方向拉力的力臂測(cè)量，對(duì)學(xué)生物理思維訓(xùn)練的作用有限，其教學(xué)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到課程目標(biāo)中掌握力臂概念和理解杠桿平衡原理的要求。

如何準(zhǔn)確、便捷地測(cè)量出杠桿力臂是實(shí)驗(yàn)需要突破的關(guān)鍵。鑒于此，筆者在教學(xué)實(shí)踐中，將刻度尺的刻度線部分進(jìn)行大膽改進(jìn)，制作出一個(gè)人能輕松自如地精準(zhǔn)測(cè)量作用在杠桿上任意方向拉力的力臂，如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)和功能

2.1 刻度板的制作過程

首先我們?cè)诹Ρ鄣臏y(cè)量上有新突破，將刻度尺兩側(cè)的刻度線部分沿著縱向拉開距離，平鋪在A4紙較長的兩側(cè)，設(shè)計(jì)出一個(gè)有個(gè)性特色的刻度板。整個(gè)制作方法如下：

在電腦上安裝AdobePhotoshop圖像處理軟件，在界面上選取與A4紙長和寬相同的尺寸，沿其兩長邊畫出分度值為mm的刻度尺，將刻度線沿橫向兩等分，將零刻度線置于界面中央位置，用粗紅線畫出“0”刻度線，再以“0”刻度線為對(duì)稱軸左右對(duì)稱的位置標(biāo)出以mm為單位的刻度，兩邊的量程均為15 cm左右，兩邊相對(duì)應(yīng)的刻度中，每隔1 cm用實(shí)線連接，每1 cm中間用虛線等分，在實(shí)線間標(biāo)上刻度的數(shù)值。將設(shè)計(jì)好的特殊“刻度尺”彩色打印在A4紙上，用塑封機(jī)塑封好，如圖2中的圖①所示，再用打孔器在零刻度線處打上小孔做成刻度板備用。

2.2 刻度板測(cè)力臂的工作原理

如圖1所示，當(dāng)刻度板的零刻度線處的小孔與輕質(zhì)杠桿的支點(diǎn)共軸，那么在杠桿左右兩邊懸掛重物保持水平方向靜止時(shí)，兩邊的力臂可以從水平放置的刻度板上直接讀出。當(dāng)作用在杠桿兩邊的拉力不與杠桿垂直時(shí)，拉力的力臂又如何去測(cè)量呢？如圖2中的圖②所示，輕質(zhì)杠桿在F1、F2的作用下保持平衡，此時(shí)先順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)刻度板，使刻度板上的刻度線與拉力F1作用線平行，我們根據(jù)力臂的定義，用虛線作出力F1對(duì)應(yīng)的力臂，再將虛線平移到刻度板對(duì)邊的刻度線上，發(fā)現(xiàn)它們與刻度板“0”刻度線、拉力F1作用線延長線構(gòu)成一個(gè)矩形，根據(jù)矩形對(duì)邊相等的性質(zhì)，此時(shí)F1力臂大小就是刻度板上的刻度線與拉線重合的刻度尺的示數(shù)(讀數(shù)時(shí)的視線一定要與刻度板垂直 )，記為L1。同理可得，如圖2中圖③所示F2的力臂大小就是刻度板上刻度線與拉線重合的刻度尺的示數(shù)，記為L2。

2.3 杠桿演示儀的組裝過程

精準(zhǔn)讀取力臂的杠桿演示儀的結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。首先將演示杠桿支架豎直地固定在鐵架臺(tái)直桿上，將自制刻度板的小孔先穿入鐵架臺(tái)上固定杠桿的轉(zhuǎn)軸，再在轉(zhuǎn)軸上旋入螺母，前后兩枚螺母擠壓刻度板的松緊度適度，達(dá)到用手轉(zhuǎn)動(dòng)刻度板且放手后刻度板可以在任意角度保持靜止為宜；然后將細(xì)線懸掛的重錘線系在轉(zhuǎn)軸上，調(diào)節(jié)刻度板，使刻度板的“0”刻度紅線與重垂線重合；再穿上輕質(zhì)演示杠桿，最后旋上杠桿的支點(diǎn)固定螺母；在杠桿兩邊可移動(dòng)的懸掛點(diǎn)下分別系好帶有掛鉤的深色棉線，目的是方便加掛鉤碼。

圖3 演示杠桿的結(jié)構(gòu)圖

取60 cm×80 cm×0.8 cm透明亞克力板1塊，用木工鋸子(或者加工機(jī)器)將亞克力板做成“丫”字形，兩邊對(duì)稱地鏤空成圓弧狀槽子，取實(shí)驗(yàn)室中去掉外框的塑料滑輪2枚，分別用螺桿穿過2枚滑輪的軸心和亞克力板的圓弧狀槽子，再用螺母在槽子的背面旋入螺桿，懸掛好左右兩邊的滑輪，通過調(diào)節(jié)螺桿上螺母的松緊保證兩滑輪可以固定在圓弧形槽內(nèi)任意位置，再把下方板面切掉，目的讓鉤碼能懸空，在亞克力板的中間靠正下方打2個(gè)孔，便于用螺絲將亞克力板豎直地固定在鐵架臺(tái)上，前后調(diào)節(jié)板面，使演示杠桿與其在同一豎直面內(nèi)。

3 使用杠桿演示儀探究杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)

3.1 調(diào)節(jié)刻度板、杠桿水平平衡

將2根等長一端系有回形針做的掛鉤、一端系在杠桿兩邊掛重物的提扭的深色棉線自然垂下，調(diào)節(jié)提扭到支點(diǎn)的距離相等；輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)刻度板，使刻度板的“0”刻度紅線與重垂線重合；然后調(diào)節(jié)杠桿兩端的螺母，使杠桿在水平位置平衡。

3.2 探究實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將2根棉線分別繞過固定在滑槽中的滑輪，分別在左右掛鉤下加掛1個(gè)(0.5 N)和2個(gè)鉤碼(1.0 N)，移動(dòng)杠桿上的懸掛提扭，調(diào)節(jié)杠桿再次在水平位置靜止，如圖4中圖①所示。

(2)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)刻度板，使刻度板上的刻度線與左邊力的作用線(細(xì)線)平行，如圖4中圖②所示，眼睛正視刻度板(找到細(xì)線與刻度線重合的位置)，讀出左邊作用力的力臂L1。

(3)再逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)刻度板，使刻度板上的刻度線與右邊力的作用線(細(xì)線)平行，如圖4中圖③所示，眼睛正視刻度板(找到細(xì)線與刻度線重合的位置)，再讀出右邊作用力的力臂L2，將數(shù)據(jù)記錄在表1中。

圖4 使用杠桿演示儀探究實(shí)驗(yàn)一

(5)改變杠桿兩邊滑輪在滑槽中的位置(分別在左、右邊加掛1個(gè)和4個(gè)鉤碼)，不再移動(dòng)杠桿上懸掛點(diǎn)的位置，讓演示杠桿在任意位置處于平衡狀態(tài)，分別測(cè)出各力及其對(duì)應(yīng)的力臂大小，將數(shù)據(jù)填入表1中。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和整理

(6)將分別繞過固定在滑槽中的滑輪上的2根掛重物的棉線取下，讓其自然下垂，繼續(xù)探究杠桿提扭下豎直懸掛重物和杠桿水平靜止的情形，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄下來。

(7)收集和整理數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)得出結(jié)論：動(dòng)力 × 動(dòng)力臂=阻力 × 阻力臂 ，寫成公式為F1L1=F2L2。

裝置的創(chuàng)新點(diǎn)：

(1)將毫米刻度尺的刻度線平移到A4紙的兩邊，根據(jù)矩形的對(duì)邊相等的特性，再將零刻度線置于A4紙中間位置并且與支點(diǎn)重合，自制特殊的刻度板。

(2)靈活自由地轉(zhuǎn)動(dòng)刻度板，讓掛重物的拉線與塑封的紙質(zhì)刻度尺(刻度板)的刻度線重合就可以讀出拉力對(duì)應(yīng)力臂的大小，鉤碼既可以豎直懸掛在杠桿上，也可以通過繞在亞克力板上的定滑輪隨意改變動(dòng)力或者阻力的施力方向，保證實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)具有普遍性。

(3)實(shí)驗(yàn)過程中可以不必使杠桿在水平位置平衡(因?yàn)檩p質(zhì)杠桿的自重可以忽略不計(jì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果幾乎沒有影響)。

(4)整個(gè)裝置可以固定在普通鐵架臺(tái)上，組裝簡單、快捷。既可以用作演示實(shí)驗(yàn)也可以用作學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。測(cè)量力臂精準(zhǔn)、誤差小，時(shí)間短，效率高，價(jià)格低廉，特別適合課堂教學(xué)，值得推廣。

4 結(jié)語

在探究杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)中，如何簡捷、精準(zhǔn)測(cè)量力臂是整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作的難點(diǎn)，也是一線教師在教學(xué)實(shí)踐中優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置的關(guān)鍵點(diǎn)。筆者將刻度尺進(jìn)行有效改進(jìn)(杠桿刻度板的圖片可掃描圖5所示的二維碼下載制作)，制作亞克力支架，在鏤空為圓弧狀槽子中裝上定滑輪，巧妙地運(yùn)用定滑輪不省力但可以隨意改變動(dòng)力或阻力方向的特性，使實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)具有普遍性。本作品已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利，專利號(hào)：2020 2 0821481.3。

圖5 杠桿刻度板的制作