摘 要：針對(duì)教材中探究杠桿平衡條件的實(shí)驗(yàn)裝置中存在的問題，提出三個(gè)改進(jìn)方案：首先，用重錘線和圓盤上的水平線，幫助準(zhǔn)確判斷杠桿是否處于水平狀態(tài);其次，通過探究直臂杠桿在水平和非水平位置平衡及曲臂杠桿在水平位置的平衡條件能使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更具有普遍性;再次，通過曲臂杠桿及改變直臂杠桿上的動(dòng)力方向使兩種杠桿在水平位置平衡，幫助學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)力臂的概念.最后，實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)在教學(xué)中不僅能有效突破教學(xué)中的重難點(diǎn)，還能促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí).

關(guān)鍵詞：杠桿平衡的條件;力臂;深度學(xué)習(xí);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）18-0033-03

基金項(xiàng)目：江西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020課題“以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)促進(jìn)初中物理深度學(xué)習(xí)的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號(hào)：20PTYB190）.

作者簡(jiǎn)介：江耀基（1976-），男，江西安福人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：物理教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué).

1 教材實(shí)驗(yàn)中存在的缺陷

探究杠桿平衡的條件是人教版八年級(jí)物理（下冊(cè)）第十二章第1節(jié)“杠桿”中的學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn).它既是本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量力臂也是學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn).為了突破這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，教材上安排了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置.首先，調(diào)節(jié)杠桿兩端的平衡螺母使杠桿在不掛鉤碼時(shí)，保持水平并靜止，達(dá)到平衡狀態(tài);接著，給杠桿兩側(cè)掛上不同數(shù)量的鉤碼，移動(dòng)鉤碼的位置，使杠桿重新在水平位置平衡，這時(shí)杠桿兩側(cè)受到的作用力等于各自鉤碼所受的重力，讀出此時(shí)杠桿兩端的動(dòng)力F1和阻力F2及對(duì)應(yīng)的動(dòng)力臂L1和阻力臂L2;改變動(dòng)力F1和動(dòng)力臂L1的大小，相應(yīng)調(diào)節(jié)阻力F2和阻力臂L2，再做幾次實(shí)驗(yàn)，把測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表格[1].

筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，利用此實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行教學(xué)時(shí)存在三個(gè)缺陷：（1）實(shí)驗(yàn)中杠桿的水平平衡位置沒有判斷依據(jù)，全憑學(xué)生的直觀感覺，實(shí)驗(yàn)的可信度不強(qiáng);（2）實(shí)驗(yàn)中只研究了杠桿始終處于水平，力的作用線的方向處于豎直一種情形下的杠桿平衡，這樣得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論不具有普遍性;（3）實(shí)驗(yàn)中的力臂都是從杠桿上直接讀取，勢(shì)必有造成力臂是從支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)之間的距離之嫌，不利于學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)力臂的本質(zhì).

2 改進(jìn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案

2.1 改進(jìn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置

2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

直徑為40cm、厚為1.8cm的圓形木板1塊、直徑為40cm帶刻度線的圓形背貼紙1張、直臂杠桿1根、曲臂杠桿1根（自制）、60cm×8cm木板支架1塊、30cm×30cm木板底座1塊、上邊13cm下邊38cm高22cm梯形固定木板1塊、合頁(yè)2個(gè)、彈簧測(cè)力計(jì)1把、鉤碼1盒、釘子若干個(gè)、3cm×20cm直角三角形固定木板1塊、502膠水1瓶、長(zhǎng)為5cm直徑為3mm的長(zhǎng)螺絲1個(gè)、棉線1卷、彩色透明膠1卷以及紅色記號(hào)筆1根.

2.1.2 制作方法

（1）切一塊直徑為40cm的圓木板，用電鉆在木板的圓心處鉆1個(gè)直徑為3mm的孔.

（2）制作一張直徑為40cm帶刻度線（刻度線間距為1cm）的圓形背貼紙，將帶刻度線的背貼紙緊貼在圓形木板上，要求帶刻度的背貼紙面和圓盤完全重合，再用釘子在背貼紙的圓心鉆個(gè)小孔，使得小孔與圓盤小孔完全一致，不能有偏差（如圖2所示）.

（3）用釘子將支架豎直固定在底座上的中央，然后用502膠水將直角三角形木塊兩個(gè)直角邊分別固定在豎直的支架木板上和水平底座上（如圖3所示）.

（4）用電鉆在距離支架頂端2cm中心位置鉆個(gè)直徑為3cm的小孔，然后用5cm的長(zhǎng)螺絲穿過支架和圓形木板小孔，將支架和圓盤固定在一起，圓盤可繞著螺絲轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)長(zhǎng)螺絲即是杠桿的支點(diǎn).

（5）用棉線懸掛一個(gè)螺絲作為重錘線，并把重錘線掛在支點(diǎn)處的長(zhǎng)螺絲上（如圖4所示）.

（6）沿著圓盤直徑上方粘一條彩色透明膠帶，作為杠桿水平平衡參考線.

（7）將直臂杠桿或曲臂杠桿穿在作為支點(diǎn)的長(zhǎng)螺絲上，并用螺母固定好，但不能固定太死，讓杠桿能在豎直平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng).

（8）將梯形測(cè)力計(jì)固定在木板較細(xì)的一端并用合頁(yè)與底座固定，且在固定板沿豎直向上翻時(shí)，固定板剛好與支架完全重合（如圖5所示）.

2.1.3 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

改進(jìn)創(chuàng)新后的探究杠桿平衡的條件的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示.

2.2 改進(jìn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案

針對(duì)缺陷（1）：通過重錘線和彩色透明膠，讓杠桿在水平位置平衡有準(zhǔn)確的判斷依據(jù).在杠桿的支點(diǎn)處（螺絲上）掛一個(gè)簡(jiǎn)易的重錘線，使重垂線與圓盤上的零刻度線完全重合，此時(shí)圓盤中間直徑就處于水平位置，實(shí)驗(yàn)時(shí)讓杠桿與圓盤的直徑或彩色透明膠帶重合，杠桿就處于水平位置;通過探究多種情形下的杠桿平衡，能使得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論更具有普遍性.

針對(duì)缺陷（2）：利用改進(jìn)后的杠桿實(shí)驗(yàn)裝置，可以探究杠桿處于水平平衡（作用力處于豎直方向），杠桿處于水平平衡（動(dòng)力沿著斜向下方向），杠桿處于非水平平衡及曲臂杠桿的水平平衡四種情形的杠桿平衡實(shí)驗(yàn)，從而使得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論更具有普遍性，避免了偶然性;通過探究多種杠桿的平衡條件，能幫助學(xué)生有效建構(gòu)力臂的物理概念.

針對(duì)缺陷（3）：在探究直臂杠桿處于水平平衡，但動(dòng)力沿著斜向下方向拉時(shí)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，使得動(dòng)力作用線與圓盤上的刻度線完全對(duì)齊，就可以讀出此時(shí)的力臂，如圖7所示.再通過探究直臂杠桿在非水平平衡與曲臂杠桿在水平平衡，能讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)力臂的本質(zhì)，幫助學(xué)生建構(gòu)力臂的物理概念.

3 用改進(jìn)的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）將實(shí)驗(yàn)儀放置在水平桌面上，轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，使重垂線與0刻度線完全重合，這時(shí)圓盤的水平線與重垂線相互垂直.

（2）調(diào)節(jié)直臂杠桿兩端的平衡螺母，直到杠桿與彩色膠帶水平線完全重合，杠桿處于水平平衡位置（如圖8所示）.

（3）在直臂杠桿的兩端分別掛上數(shù)量不等的鉤碼，調(diào)節(jié)杠桿右側(cè)的鉤碼在杠桿上的位置，直到杠桿又與圓盤上的彩色膠帶水平線完全重合，杠桿恢復(fù)水平平衡，記下此時(shí)的動(dòng)力F1、阻力F2、動(dòng)力臂L1和阻力臂L2（如圖9所示）.

（4）改變直臂杠桿上左端鉤碼的位置，右端用彈簧測(cè)力計(jì)代替鉤碼，通過改變彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，使動(dòng)力和阻力作用線與圓形刻度盤上的某刻度線完全重合，讓杠桿處于非水平位置平衡，記下此時(shí)的動(dòng)力F1、阻力F2、動(dòng)力臂L1和阻力臂L2（如圖10所示）.

（5）將彈簧測(cè)力計(jì)沿著斜向右拉杠桿，使得杠桿保持水平位置平衡，記下此時(shí)的動(dòng)力F1、阻力F2、動(dòng)力臂L1和阻力臂L2（如圖11所示）.

（6）將直臂杠桿換成曲臂杠桿，調(diào)節(jié)曲臂杠桿兩端的平衡螺母，使得曲臂杠桿在水平位置平衡，然后在曲臂杠桿兩端掛上數(shù)量不等的鉤碼，調(diào)節(jié)鉤碼在曲臂杠桿上的位置，使曲臂杠桿恢復(fù)水平平衡，記下此時(shí)的動(dòng)力F1、阻力F2、動(dòng)力臂L1和阻力臂L2（如圖12所示）.

（7）把測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格1中.

分析上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：杠桿平衡的條件是：動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂，公式表示為F1L1=F2L2.

4 結(jié)語

通過本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新，讓杠桿在水平位置平衡有了判斷依據(jù)，有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度;通過探究多種情形下杠桿的平衡，不僅能使得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論更具有普遍性，有利于發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維能力，還能讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)力臂的本質(zhì)，幫助學(xué)生建構(gòu)力臂的概念.總之，通過本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新，不僅能有效突破教學(xué)中的重難點(diǎn)，讓初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能更加有序、高效地開展，讓學(xué)生更積極、主動(dòng)地參與科學(xué)探究過程，幫助學(xué)生達(dá)成了知識(shí)目標(biāo)，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí).還能促進(jìn)初中物理教學(xué)由傳統(tǒng)的講授式教學(xué)向科學(xué)探究式教學(xué)的轉(zhuǎn)變.通過本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新，在學(xué)生心中播下一顆創(chuàng)新的種子，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神，發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]列阿平.通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新 發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)——以“探究杠桿的平衡條件”為例[J].物理教學(xué)探討，2021，39（05）：32-34.

[2]江耀基.探究平面鏡成像特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)與教學(xué)[J].中學(xué)物理，2021，39（08）：28-30.

[3]李明權(quán).淺談物理演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)[J].物理教學(xué)探討，2005（19）：26.

[4]余菊明.巧設(shè)學(xué)生活動(dòng) 強(qiáng)化學(xué)習(xí)體驗(yàn)[J].物理教師，2012，33（03）：17-18.

[5]黎東波.重整單元教學(xué)目標(biāo) 落實(shí)物理核心素養(yǎng)[J].科學(xué)大眾·科學(xué)教育，2019（03）：40-41.

（收稿日期：2021-05-18）