对“探究杠杆的平衡条件”实验的两点思考(段宏).doc

对“探究杠杆的平衡条件”实验的两点思考
【摘要】教材中实验要求调节杠杆在水平位置这种特殊位置平衡的原因是在该实验中，动力和阻力的方向都是竖直向下的，杠杆静止时处于水平位置，便于从杠杆上直接读出力臂的大小。而很多老师却有这样的疑问：在实验前调节杠杆水平平衡时，是不是为了“避免杠杆自重对实验造成影响”？
实验数据的收集和处理，是科学探究的重要环节，实验结论就是在此基础上，通过分析归纳得出的。苏科版教材把“探究杠杆的平衡条件”定义为探究性实验，而探究性实验要求从多组数据中得到普遍规律。
【关键词】杠杆 水平平衡 实验数据 普遍性

“探究杠杆的平衡条件”苏科版教材九年级物理上册安排的一个重要实验。在实验教学的过程中，要注意引导学生正确分析问题、解决问题。实验的过程往往比结果更加重要，要在实验过程中培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度。
对于“探究杠杆的平衡条件”这个实验的教学，本人有以下两点粗浅的思考：
一、关于实验中为什么要调节杠杆的水平平衡
什么是杠杆的平衡？当杠杆静止或匀速转动，我们就说此时杠杆处于平衡状态。在教材中 “探究杠杆的平衡条件”实验中的第一步，要求安装好杠杆，调节杠杆两端的平衡螺母，使之在水平位置平衡。这使得学生常常认为，杠杆只有在水平位置保持静止才是处于平衡状态，实际上杠杆无论水平还是倾斜，只要保持静止或匀速转动都是处于平衡状态。这一点，教师在教学中必须明确指出。而教材中实验要求调节杠杆在水平位置这种特殊位置平衡的原因是在该实验中，动力和阻力的方向都是竖直向下的，杠杆静止时处于水平位置，便于从杠杆上直接读出力臂的大小。
而很多老师却有这样的疑问：在实验前调节杠杆水平平衡时，是不是为了“避免杠杆自重对实验造成影响”？我们不妨分下面的两种情况来讨论：
1.如果杠杆的悬挂点（支点）0恰好在重心上（一般就是几何中心），则杠杆无论在哪个位置平衡，重力的作用线都过支点，此时杠杆自身重力对研究杠杆平衡条件实验没有影响。换而言之，如果不给杠杆施加其它的力，杠杆可以在任意位置平衡平衡，此时，调节杠杆处于水平平衡的目的只是为了方便测量动力臂、阻力臂。
2.杠杆的悬挂点（支点）不在重心上，我们以杠杆的悬挂点在杠杆中间并偏上的位置为例。在这种条件下实验，调节平衡螺母使杠杆水平平衡时，杠杆的重心就在支点的正下方（如图1），杠杆的重力作用线过支点，重力的力臂为0，实验时，杠杆的重力不会影响杠杆的平衡。
图2

图1

而杠杆如果不在水平位置平衡，而在其它位置静止时，杠杆的重力作用线不过支点（如图2），此时重力有了一个微小的力臂，重力的效果是使杠杆顺时针方向转动。如果杠杆不受其它力的作用，则杠杆转轴处的摩擦力和杠杆的自重共同使杠杆平衡。如果在这种情况下也不是无法完成实验。理论上只要以后每次平衡时还让杠杆和初始平衡的倾斜角度位一样就可以了。
所以，无论杠杆是否在“水平”位置平衡，杠杆的自身重力都不会对探究杠杆的平衡条件产生影响，在如上所述的第2种情况中（既杠杆不在水平位置平衡时），杠杆自重的影响是靠转轴处的摩擦消除的。但是，在具体实验操作时，如果不是在水平位置平衡，我们很难保证每次倾斜程度是一样的。例如，实验前预先调节杠杆，使其左端低右端高，杆与水平方向成30度角，那么在挂钩码之后，每次平衡时，都要让杠杆左低右高，杆与水平方向成30度角。显然判断这个角度是不是30度，用肉眼是很难把握的，要比看是否水平困难得多，所以带来的误差也就大得多。更重要的问题是，如果在这种情况下实验，力臂不落在杠杆上，给力臂的测量也带来了较大的麻烦。
所以，在探究杠杆平衡条件时，让杠杆在“水平”位置平衡的目的就是让力臂与杠杆重合，方便通过杠杆上的刻度尺直接读出力臂的数值。
二、关于实验数据的收集和处理
实验数据的收集和处理，是科学探究的重要环节，实验结论就是在此基础上，通过分析归纳得出的。苏科版教材把“探究杠杆的平衡条件”定义为探究性实验，而探究性实验要求从多组数据中得到普遍规律。
在这里，值得引起我们教师思考的是，多组数据的“多”是否仅指数量上的多，是否应该注意情况的多样性。例如，我们都知道，杠杆是否平衡是由动力、动力臂、阻力、阻力臂这四个因素共同决定的，在引入力臂这个物理量时，教师大多会强调，当某个力的作用点不变，而方向发生改变时，这个力对杠杆平衡的影响是不一样的，这时虽然支点到作用点的距离不变，而支点到力的作用线的距离却发生了变化，因此，我们将支点到力的作用线的距离称为力臂，杠杆的平衡就跟力臂有关。
在教材关于这个实验的步骤中，首先要求弹簧测力计对杠杆施加竖直向下的拉力作为动力F1，而在随后的多组实验中是这样要求的：在下列情况测量并记录动力、动力臂、阻力、阻力臂的大小。（1）保持钩码和弹簧测力计的位置不变，改变钩码的数量；（2）保持钩码的数量和位置不变，改变弹簧测力计的位置；（3）保持弹簧测力计的位置和钩码的数量不变，改变钩码的位置。应该说教材这样的安排，有他的精妙之处，首先巧妙地将控制变量法这个重要的物理方法贯穿其中，使学生认识到动力、动力臂、阻力、阻力臂这四个物理量中有一个发生了变化都将影响到杠杆的平衡，其次几个步骤均没有改变弹簧测力计拉力的方向目的仍然是为了让学生能方便地测出力臂。
而我认为教材在几个步骤中均没有要求改变弹簧测力计拉力的方向这一点恰恰是值得商榷的。如果学生根据教材要求的实验步骤得出如下结论：“动力×支点到动力作用点的距离=阻力×支点到阻力作用点的距离”．这个结论虽然与杠杆平衡条件不符，但教师却无法从实验数据中指出错在哪里。如果单纯为了实验操作的方便而不考虑实验数据得出的全面性是否有点不妥。
纵观苏科版教材在十多年使用过程中，很多地方做了一些改进，其中对于“探究杠杆的平衡条件”这个实验，就从最初的两边都挂钩码使杠杆平衡改成了现在一边挂钩码，一边用弹簧测力计施加拉力使杠杆平衡。这同时也为实验的多样性提供了条件。因此可以在实验步骤中完全可以增加这样一步： 保持钩码的位置、数量和弹簧测力计的位置不变，改变弹簧测力计拉力的方向（如图3），记录下动力、动力臂、阻力、阻力臂的大小。甚至还可以象图4那样，将弹簧测力计改到钩码的同侧向上拉，进行实验数据的收集。近年来，甚至在某些城市的中考题中，也认为在这个实验中弹簧测力计拉力的方向必须竖直向下，否则就是操作上的错误，我认为这未免教条了，而学生由于弹簧测力计没有竖直拉动导致不能得到“动力×动力臂=阻力×阻力臂”这个正确结论，恰恰说明学生概念不清楚，没有正确作出力臂，误把支点到动力作用点的距离当成了力臂，教师正好可以利用这个时机对学生强化正确的概念。
图4

图3

其实，一个科学的实验结论的得出不是那么容易的。《物理课程标准》告诉我们，探究的过程比探究的结果更重要，要将学生学习的重心从过分强调知识的传承和积累向知识的探究过程化，从学生被动接受知识向主动获取知识转化，从而培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神。所以，为了让学生充分体验探究的过程，应该安排足够的时间让他们提出各种想法、各种观点并进行充分地交流和讨论。
子曰：“学而不思则罔”，其实，教师的教和学生的学一样，也是离不开思考的。教学时一门学问，也是一门艺术，教师只有勤于思考、刻苦钻研，教学上才能得到学生的认可，才能和学生教学相长。