杠桿力臂教學(xué)與測(cè)量?jī)x的制作和使用

權(quán)亮 蔣燕

【關(guān)鍵詞】物理教學(xué);杠桿力臂教學(xué);測(cè)量?jī)x的制作;使用

【中圖分類號(hào)】G633.7【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1004-0463（2019）11-0121-01

在中學(xué)物理教學(xué)中，杠桿實(shí)驗(yàn)教學(xué)是力學(xué)中極為重要的內(nèi)容之一。杠桿力臂作圖和杠桿平衡條件探究實(shí)驗(yàn)是本章節(jié)的重難點(diǎn)所在，若要正確地畫出杠桿力臂，要建立在對(duì)力臂和力的作用線這兩個(gè)概念的正確理解之上;若要進(jìn)行探究“杠桿平衡條件”實(shí)驗(yàn)，必須要能準(zhǔn)確地測(cè)量出任意方向力的力臂是關(guān)鍵?，F(xiàn)公知的關(guān)于杠桿的實(shí)驗(yàn)器材，對(duì)力臂和力的作用線這兩個(gè)概念的理解幾乎沒有幫助，導(dǎo)致學(xué)生在力臂作圖時(shí)錯(cuò)誤百出。對(duì)于任意方向力的力臂大小的測(cè)量尚不能全覆蓋，致使學(xué)生對(duì)杠桿平衡條件還存有疑惑。為此，筆者通過潛心思考和反復(fù)嘗試，設(shè)計(jì)出了杠桿力臂教學(xué)與測(cè)量?jī)x，可以幫助學(xué)生對(duì)力臂的正確理解和準(zhǔn)確測(cè)量。

一、關(guān)于杠桿力臂測(cè)量器材的類型及局限性分析

第一類，課本和實(shí)驗(yàn)室普遍使用的實(shí)驗(yàn)器材如圖一所示，它只能探究出直杠桿在水平位置靜止時(shí)的平衡條件，從對(duì)力臂的理解和測(cè)量來講不足有三：一是沒有標(biāo)識(shí)出力臂就是一條線段，對(duì)于力臂概念的理解沒有幫助;二是當(dāng)杠桿傾斜靜止時(shí)無法測(cè)量力臂，對(duì)于什么是杠桿平衡有誤導(dǎo)之嫌，有部分學(xué)生認(rèn)為杠桿傾斜靜止就不平衡;三是刻線落在杠桿上，會(huì)導(dǎo)致部分學(xué)生認(rèn)為力臂始終在杠桿之上。

第二類，如圖二所示是杠桿平衡條件探究?jī)x，它能較好地利用角度盤和指針解決了杠桿平衡的定位問題，能利用互變杠桿解決杠桿單一的問題，能利用懸掛法探究得出曲直杠桿的具有普遍意義的平衡條件。但從對(duì)力臂的認(rèn)識(shí)和測(cè)量來講，也存在以下不足：一是它只能測(cè)量豎直向下的力的力臂，對(duì)于其他方向的力的力臂則無法測(cè)量;二是力臂失位，部分學(xué)生會(huì)認(rèn)為力臂始終不在杠桿上，而在杠桿的下方，三是它未標(biāo)識(shí)出杠桿是一條線段。

第三類，如圖三所示，是可測(cè)多方向力的力臂實(shí)驗(yàn)器，它雖然能夠旋轉(zhuǎn)測(cè)量多個(gè)方向力的力臂，但仍有不足，一是沒有標(biāo)識(shí)出力臂是一條線段;二是有些力的力臂它還是無法測(cè)量，如圖四所示。二、杠桿力臂教學(xué)與測(cè)量?jī)x的制作與使用

1.制作。用一根長(zhǎng)寬厚分別為26mm、30mm、1mm的硬質(zhì)透明塑料尺，在一端的中間位置，鉆一小孔（直徑略大于轉(zhuǎn)軸直徑），其孔心為支點(diǎn)，再在尺子的中央沿尺長(zhǎng)刻一條直線，作為力臂線，以圓心為起點(diǎn)，10mm為分度值，沿尺長(zhǎng)刻上刻線，再用長(zhǎng)寬分別為50mm、10mm的薄鐵片，兩頭縮進(jìn)10mm并向上彎折成九十度角成凹槽，將尺子嵌進(jìn)凹槽，在凹槽兩側(cè)中間高約1mm處對(duì)稱地鉆兩個(gè)直徑約為1mm的小孔，將長(zhǎng)約150mm，直徑為1mm硬質(zhì)細(xì)棒（力的作用線）穿過兩小孔，凹槽緊貼尺底面和兩側(cè)，細(xì)棒緊貼尺面，使得尺子恰能滑動(dòng)為宜，細(xì)桿緊密穿過兩個(gè)小孔，但也要能來回抽動(dòng)為好。這樣，力臂線就跟細(xì)棒保持垂直，則轉(zhuǎn)孔圓心和垂足之間的距離就是力臂了。如圖五所示。

2.使用。將轉(zhuǎn)孔套在轉(zhuǎn)軸上，處于杠桿的前面，當(dāng)杠桿受力并恢復(fù)原平衡后，轉(zhuǎn)動(dòng)透明尺，并滑動(dòng)細(xì)棒，使細(xì)棒的一部分或全部跟力的拉線完全重合，則細(xì)棒所在的刻線位置即為力臂的大小，拉線所在的直線即為力的作用線，現(xiàn)存器材不能測(cè)量的力臂，使用杠桿力臂教學(xué)與測(cè)量?jī)x能夠較好地解決，而且在多數(shù)情況下，力臂線、力的作用線和支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的連線圍成一個(gè)直角三角形，如圖六所示。