滑輪教學(xué)中存在的問題與改進(jìn)

楊紅糧 廖玉輝

摘 要：物理學(xué)科核心素養(yǎng)要求培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、實驗探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.從物理學(xué)科素養(yǎng)的要求可以看出，物理課堂應(yīng)特別注重實驗探究，即提出物理問題，形成猜想和假設(shè)，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對實驗探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思.目前“滑輪”這節(jié)課還存在很多不規(guī)范的探究實驗和沒有解釋的問題，讓學(xué)生存在錯誤的認(rèn)識.

關(guān)鍵詞：滑輪;實驗探究;理想滑輪

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）16-0052-03

作者簡介：楊紅糧（1985-），男，北京密云區(qū)人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：初中物理教學(xué)實踐研究;

廖玉輝（1976-），男，北京密云區(qū)人，本科，中學(xué)二級教師，研究方向：初中物理教學(xué)實踐研究.

滑輪是中學(xué)物理的重要知識點，探究滑輪特點可以培養(yǎng)學(xué)生探究能力，對于滑輪的特點教學(xué)很多課堂仍然存在不符合物理學(xué)科核心素養(yǎng)的處理方式，有的課堂把探究性實驗做成“驗證性”實驗，有的課堂直接告訴學(xué)生理想滑輪特點然后大量做練習(xí)，有的課堂根本沒意識到滑輪兩邊繩子的拉力可能不相等，實驗滑輪與理想滑輪之間存在很大區(qū)別，所以關(guān)于滑輪的教學(xué)還有很多需要注意的地方.

1 目前對于滑輪特點的探究實驗分析

1.1 關(guān)于探究定滑輪特點的實驗

按照如圖1甲所示的方法探究定滑輪的特點是很多課堂仍然使用的操作方法，左邊的鉤碼重力作為自變量，改變左邊繩子所掛的鉤碼個數(shù)，用彈簧測力計測量右邊繩子自由端的拉力，多次測量，總結(jié)繩子自由端的拉力與物體重力之間的大小關(guān)系.

這樣做實驗存在問題，彈簧測力計鉤著繩子向下拉并不符合彈簧測力計使用規(guī)范，正常調(diào)零的彈簧測力計如果這樣使用，指針無法對準(zhǔn)零刻度線，測量時還不能忽略刻度盤所受到的重力，因此無法準(zhǔn)確測量繩子自由端的拉力.

按照如圖1乙所示的方法探究定滑輪在使用時繩子自由端的拉力與方向無關(guān)，從而說明定滑輪的本質(zhì)是等臂杠桿，這樣做實驗也存在彈簧測力計的使用不規(guī)范問題，向下、斜向下和水平拉都不容易排除彈簧測力計金屬桿與刻度盤之間的摩擦，指針不容易對準(zhǔn)零刻度線，測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確.

按如圖1丙所示的方法證明定滑輪兩邊的拉力相等，當(dāng)兩邊所掛的鉤碼（每個鉤碼都相同）個數(shù)相等時，鉤碼處于靜止?fàn)顟B(tài)，說明兩邊拉力相等，這樣做實驗則是把探究性實驗變?yōu)轵炞C性實驗.

1.2 針對如圖1甲所示實驗進(jìn)行改進(jìn)

新課標(biāo)及物理學(xué)科核心素養(yǎng)要求探究實驗應(yīng)包括提出問題、猜想與假設(shè)等七個環(huán)節(jié)，讓學(xué)生體驗探究過程就要從提出科學(xué)問題或教師給出探究問題開始，缺少明確的科學(xué)問題，就沒有明確的自變量和因變量，所完成的實驗只能算驗證性實驗，所以實驗改進(jìn)就要從明確科學(xué)問題開始.

探究定滑輪特點，很多學(xué)生都有固定思維，認(rèn)為定滑輪掛在鐵架臺上，應(yīng)放在上邊，就像國旗桿頂端上的定滑輪，其實不然，研究滑輪的特點需要用彈簧測力計，而彈簧測力計必須向上提升，所以必須讓定滑輪固定在下邊.

按照實驗探究七環(huán)節(jié)設(shè)計實驗，讓學(xué)生體驗探究過程，設(shè)計如下.

提出問題：如圖2甲所示，將定滑輪固定在下邊，一側(cè)用彈簧測力計拉著繩子，繩子穿過定滑輪，右手拉住繩子自由端，在此情境中提出問題，繩子自由端的拉力F2（即手向上的拉力）與左側(cè)彈簧測力計對繩子的拉力F1有什么關(guān)系？

猜想與假設(shè)：兩個力的關(guān)系為F2 =F1.

設(shè)計實驗：左側(cè)彈簧測力計對繩子的拉力F1是自變量，右側(cè)拉力F2是因變量，改變右側(cè)繩子自由端拉力便可以改變自變量，多次改變自變量，測量并記錄自變量和因變量數(shù)據(jù)在表格中.

進(jìn)行實驗采集數(shù)據(jù)：如圖2乙所示，彈簧測力計的使用比較規(guī)范，記錄兩邊彈簧測力計的示數(shù)，將數(shù)據(jù)填入表格，實驗時記錄的數(shù)據(jù)見表1.

分析論證：定滑輪使用時右側(cè)繩子拉力F2與左側(cè)繩子拉力F1，滿足F2=F1.

實驗評估：多次改變自變量，觀測因變量，所得結(jié)論比較有科學(xué)性，但是結(jié)論僅限于拉力較小的范圍內(nèi)，當(dāng)繩子拉力較大時，滑輪的輪和軸之間的壓力會增大，摩擦力就會增大，主動拉繩子使輪子轉(zhuǎn)動的力就會因為克服摩擦而增大，在第6次實驗中，F(xiàn)2=0.8N大于理論猜想值.所以結(jié)論應(yīng)加上修正條件，當(dāng)摩擦較小可以忽略不計時，F(xiàn)2=F1，否則F2可能略大于F1.

交流與合作：讓每一實驗小組分享自己的實驗數(shù)據(jù)和過程，提高學(xué)生對實驗的理解，讓學(xué)生了解更多實驗可能出現(xiàn)的未知細(xì)節(jié).

1.3 針對如圖1乙所示實驗進(jìn)行改進(jìn)

此實驗也可以設(shè)計成為探究實驗，讓學(xué)生體會探究過程，設(shè)計如下.

明確問題：用定滑輪提升物體時，不同方向的拉力是否相等？

猜想與假設(shè)：很多學(xué)生會認(rèn)為拉力F可能不相等，或者由于沒有此類生活經(jīng)驗無法提出肯定的猜想，學(xué)生無論提出哪種猜想，都是有益于學(xué)生參與教學(xué)活動并認(rèn)真思考問題，都有益于參與探究活動.

設(shè)計實驗：具體實驗時由于彈簧測力計豎直向上拉是最規(guī)范的操作，所以這里要改進(jìn)實驗，用橡皮筋代替彈簧測力計，當(dāng)同一橡皮筋伸長量相同時，表明拉力相等，如果伸長量不相同，則表明拉力不相等.

進(jìn)行實驗，采集數(shù)據(jù)：表格未列出.

分析論證：三次實驗橡皮筋的伸長量相同，表明不同方向拉力相等.

1.4 針對如圖1丙所示實驗進(jìn)行改進(jìn)

對本實驗改進(jìn)主要從實驗方法進(jìn)行改進(jìn).定滑輪左側(cè)掛鉤碼，右側(cè)掛幾個鉤碼可以使兩邊平衡，讓學(xué)生經(jīng)歷猜想到實驗驗證的過程，多次改變左側(cè)的鉤碼個數(shù)，多次觀測右側(cè)鉤碼個數(shù)與左側(cè)鉤碼個數(shù)關(guān)系，也就是說讓學(xué)生有改變自變量的意識，這樣才能讓學(xué)生經(jīng)歷整個探究過程，教學(xué)才符合物理核心素養(yǎng)對學(xué)生的培養(yǎng)要求.

2 關(guān)于動滑輪特點的實驗分析

2.1 關(guān)于繩子自由端拉力F與物體受到重力G的大小關(guān)系

在很多課堂上教師為得到“使用定滑輪省一半力”即F=G/2這一結(jié)論不斷努力著，而這一結(jié)論是在不考慮動滑輪重、繩子重和輪與軸之間的摩擦情況下才成立，在生活和實驗中很難得到此結(jié)論.

從表格2中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)鉤碼個數(shù)較少即物體重較小時，繩子自由端的拉力F、動滑輪重G動和鉤碼重G滿足2F=G動+G.當(dāng)鉤碼總重較大，物體的重遠(yuǎn)大于動滑輪重時，理論上F接近G/2，但實際上物體越重，滑輪的輪與軸之間的摩擦也越大，得到結(jié)論2F=G動+G非常困難，得到 “省一半力”的結(jié)論便更加不可能，在很多課堂上教師的教學(xué)行為是為了得到結(jié)論而刻意回避誤差和事實.其實，得不到理想滑輪的相關(guān)特點沒有關(guān)系，重要的是讓學(xué)生體驗探究過程，培養(yǎng)學(xué)生探究能力，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)分析問題的意識.

2.2 使用動滑輪提升物體時，動滑輪兩側(cè)繩子的拉力關(guān)系研究

用動滑輪提升物體時，動滑輪兩側(cè)繩子的拉力是否相等，兩側(cè)繩子拉力的差值與什么因素有關(guān)？

如圖3丙所示組裝器材，動滑輪左側(cè)彈簧測力計拉力為F1，滑輪右側(cè)彈簧測力計拉力為F2，繩子自由端是主動提升物體使滑輪轉(zhuǎn)動的一方.F2與F1之間差值ΔF與物體重G之間關(guān)系數(shù)據(jù)見表3.

通過數(shù)據(jù)可以看出，動滑輪兩側(cè)繩子拉力F1和F2是不相等，而且隨著物體重的增加，兩個力的差值ΔF也增加.所以繩子拉力、動滑輪重和物體重之間關(guān)系應(yīng)該寫成F1+F2=G+G動.

動滑輪兩邊繩子拉力不相等的原因分析.

按照如圖3丙所示裝置進(jìn)行實驗，當(dāng)右邊自由端拉力F2驅(qū)使滑輪勻速轉(zhuǎn)動從而提升重物時，F(xiàn)2>F1;當(dāng)自由端向下“退縮”一點，使物體靜止在空中時，F(xiàn)2可能等于F1，再“退縮”一點，F(xiàn)2

理想滑輪概念的建立：

利用不同的動滑輪、繩子等器材做實驗時不能得到像理想滑輪那樣較為統(tǒng)一的結(jié)論，但是如何描述滑輪特點從而指導(dǎo)人們生活實踐，就必須建立較為理想、一致性的特點和概念，所以在不影響問題處理及F1和F2相差不大（摩擦可以被忽略）的情況下，認(rèn)為兩邊的力相等，且滿足2F=G+G動，當(dāng)物體重G遠(yuǎn)大于動滑輪重G動時，G動可以被忽略，F(xiàn)=G/2，這就是理想動滑輪特點.

3 關(guān)于滑輪教學(xué)的思考

對于滑輪的教學(xué)，要考慮從生活走向物理，讓學(xué)生從生活中的滑輪入手，認(rèn)識滑輪在生活中如何利用，體現(xiàn)課標(biāo)要求，從生活走向物理，然后明確探究問題，計劃好從哪幾個問題入手研究滑輪特點.

研究滑輪特點要盡可能地改進(jìn)實驗器材，減小摩擦讓數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，盡可能使滑輪成為理想滑輪，盡量減小動滑輪重可以研究繩子自由端拉力F與物體重G之間關(guān)系，如果條件有限無法減小動滑輪重，可以研究拉力F、物體重G和動滑輪之間的關(guān)系.

總之，滑輪教學(xué)確實存在理想情況與實際不符的情況，引導(dǎo)學(xué)生如何利用實際數(shù)據(jù)推理概括出理想滑輪特點，使結(jié)論模型化，建立受力分析模型，從而幫助學(xué)生理解理想滑輪特點.通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，既要培養(yǎng)學(xué)生實驗探究能力，也要培養(yǎng)學(xué)生從實際數(shù)據(jù)建立理論概念和規(guī)律的能力.

參考文獻(xiàn)：

[1]馬連杰.使用單個動滑輪省一半力的條件[J].物理通報，2019（07）：49-50.

[2]張咪.基于核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計——以“滑輪”為例[J].中學(xué)物理，2019，37（06）：51-53.

[3]郭玲.創(chuàng)造技法在“滑輪”教學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用[J].數(shù)理化學(xué)習(xí)（初中版），2019（01）：47-49.

[4]劉納川，王辛辛.滑輪實驗的改進(jìn)與創(chuàng)新[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018，47（23）：48-49.

[5]季衛(wèi)新.幾個有關(guān)“彈簧測力計”與“滑輪”組合使用問題的探討[J].物理教學(xué)，2018，40（03）：45-47+14.

（收稿日期：2021-04-22）