《杠桿的平衡條件》實驗教學案例

教學分析

本實驗取自人教版九年物理第十三章《力和機械》第四節(jié)《杠桿》，本課可分為兩課較為適合，第一課時學習什么是杠桿，杠桿的五要素，第二課時探究《杠桿的平衡條件》實驗，杠桿在生產(chǎn)生活中有廣泛的應用，探究好本實驗讓學生加深理解力臂的定義，杠桿分為哪幾種類型，在實際生活中有何應用，初步應用數(shù)學模型解決物理問題，并培養(yǎng)學生科學探究的能力。

教學目標

知識與技能

1. 通過實驗探究，得出杠桿的平衡條件。

2. 應用杠桿的知識來解決一些實際問題。

3. 應用數(shù)學知識解決物理問題。

過程與方法

經(jīng)歷探究杠桿平衡條件的過程，學會提出猜想，設計實驗進行實驗，并從實驗數(shù)據(jù)中歸出結論的方法。

情感態(tài)度與價值觀

（1）通過圖片展示杠桿在生活中的應用，激發(fā)學生探究實驗規(guī)律的興趣。

（2）結合埃及人對杠桿的使用，本節(jié)科學世界“小小彈簧秤，秤出大象重”對古文明的自豪感，激發(fā)學生熱愛科學，提高運用知識解決實際問題的能力。

教學重點與難點

1. 重點：杠桿的平衡條件。

2. 難點：根據(jù)猜想、設計實驗、進行實驗，處理數(shù)據(jù)并得出結論。

3. 教學用具：支架、彈簧測力計、杠桿、鉤碼、大紙盒、圓規(guī)。

4. 教學設計理念：新課程下的物理學科要求，讓“物理走向社會，從生活走向物理”，本課從圖片“古埃及人使用杠桿修建金字塔”“小小彈簧秤、稱出大象重”激發(fā)學生探究杠桿的平衡條件是什么。體會使用杠桿的好處，通過提問、觀察、分析、猜想、探究，培養(yǎng)學生分析問題、處理問題，并能設計實驗方案，處理實驗數(shù)據(jù)，并運用數(shù)學知識，巧妙測量杠桿的力臂的能力。

教學過程

創(chuàng)設情景，引入新課

師：上一節(jié)課我們學習了杠桿的定義，杠桿的五要素，同學生們學會了如何判斷一個物體是否是杠桿。（圖片展示，古埃及人運用杠桿搬運巨大的石塊修建金字塔，“小小彈簧秤、稱出大象重”）

生：議論真不簡單，古代人會用簡單機械杠桿修建工程，現(xiàn)代人也會巧用杠桿進行測量。

師：杠桿平衡時遵循一定的規(guī)律，當杠桿處于靜止狀態(tài)或勻速轉動狀態(tài)時稱為平衡狀態(tài)我們可以通過實驗來探究。現(xiàn)在請同學們分為兩大組，第一大組用手上的鋼筆試試，去掉筆套和套上筆套，將筆支在手指上，讓它都處于平衡狀態(tài)中的靜止狀態(tài)。第二大組用直尺支在側放的橡皮擦上使其平衡，在直尺兩端分別放上一塊橡皮擦和一支筆，多次調整它們的位置使直尺平衡。

學生動手做實驗

師：筆有筆套和沒有筆套時，筆支在手指上靜止時，對于動力阻力動力臂阻力臂這四個要素發(fā)生了什么改變？

生：有筆套的那一端較重，沒有筆套那一端較輕。

生：有筆套時，支點離筆套近，沒有筆套時，支點離去掉筆套那一端遠。

生：我認為這四個要素之間可能存在著這個關系式，動力×動力臂與阻力×阻力臂，即F1L=F2L2。

師：有直尺實驗的同學你們怎么做到使杠桿平衡？

生：筆較重要放在離支點較近的地方，而橡皮擦較輕要放在離支點較遠的地方才能使杠桿平衡。

生：我也認為杠桿平衡時可能有動力×動力臂等于阻力×阻力臂，即F1L1=F2L2。

教師給出實驗器材：支架、杠桿、彈簧測力計、鉤碼。

1. 探究杠桿受到鉤碼的拉力時杠桿的平衡條件。

師：不用尺子和彈簧測力器，你能否完成探究實驗？

生：我按照下面三個步驟，1. 先調節(jié)杠桿兩端的螺姆使其在水平位置靜止而平衡。2. 在杠桿兩邊掛上個數(shù)不同的鉤碼，兩邊的鉤碼都放在杠桿的刻度線上，調節(jié)鉤碼的位置，并使杠桿平衡，記下F1、F2、L1、L2。3. 改變鉤碼的個數(shù)和所掛的位置重復做幾次。

師：為何實驗中可不用尺子和測力計也能進行實驗？（提示杠桿在水平位置平衡）

學生分析并畫杠桿的五要素如下：

師：有什么發(fā)現(xiàn)？

生：原來杠桿在水平位置靜止時，力臂L1、L2剛好與杠桿垂直，從支點沿著杠桿上的刻度可讀出L1、L2的長度。

師：為什么可以不用測力計也能讀出F1、F2？（觀察鉤碼，讓生回答）

生：F1、F2的大小等于鉤碼的重力，每個鉤碼的質量已知，根據(jù)G=mg可算出重力，也就知道了F1、F2的大小。

師：設計表格時應考慮實驗的次數(shù)不少于幾次，表格中有哪數(shù)據(jù)？

師：直徑所對的圓周角為90°，利用這個數(shù)學知識我們可以方便地找到斜著拉的力的力臂。一個圓的直徑，讓它的一個端點與杠桿的支點重合，這條直徑與杠桿支點的左端或右端對齊相平，我們可沿著直徑上支點另一側的點向不同方向施力，力的作用線是一條直角邊，量出圓中另一條直角邊的長度就代表F1的力臂L1。

師：拉力是斜著拉在杠桿上的，這個力的方向與杠桿不垂直，如何較為方便測出這個力的力臂？利用棉線綁在測力計的拉環(huán)上行嗎？

生：將一根棉線的一端固定在測力計的拉環(huán)上，測力計施力時，作用點放在直徑的一端上，另一端順著這個測力計的軸線方向拉線。

師：拉到什么程度？

生：把線拉到與圓相交，并在相交點作一個記號。

（學生將課前動手做輔助找出斜著拉力的力臂的紙板，方法是在紙板上用圓規(guī)畫幾個相切的圓，其中幾個圓相切的點放在杠桿的支點上。）

按照1內的步驟重復做3次實驗。

2. 杠桿兩端受到兩個斜著的拉力時杠桿的平衡條件。

師：若杠桿兩端受到兩個斜著向上或斜著向下的拉力時如何探究平衡條件？

生：關鍵是測力臂，利用支點兩端都有幾個圓心不同相切的圓來測力臂。重復兩次實驗。

3. 杠桿受到三個或三個以上的力作用時的平衡條件。

師：最簡單情況，杠桿受到兩個動力一個阻力或一個動力兩個阻力時杠桿的平衡的條件又是什么？

生：我們在杠桿兩側一邊掛兩串鉤碼一邊掛一串鉤碼，調整鉤碼的位置，使杠桿在水平位置平衡，重復做兩次實驗。

師：請總結實驗的結論

生：多次實驗驗證猜想，結論是：

F1L1=F2L2或F1L1+F1'L1'+……= F2L2+ F2'L2'+……

師：這個規(guī)律也適用于杠桿處于平衡態(tài)中的勻速轉動狀態(tài)。

師：若杠桿已平衡，將一個力作用在杠桿支點上，它會影響杠桿的平衡嗎？請大家做做看。

生：不會。

師：為什么？

生：因為F×L=0，對杠桿的平衡狀態(tài)無影響。

師：從實驗中時行總結，若動力阻力作用點在支點兩側時和動力阻力作用點在支點同側時，動力與阻力的方向有什么關系？

生：動力阻力作用點在支點兩側時，總的說來動力與阻力方向大體相同；動力阻力作用點在支點兩側時，總的說來動力與阻力方向大體相反。

師：現(xiàn)在讓同學們畫抽水機的搖柄這個杠桿的動力和阻力時，你發(fā)現(xiàn)動力與阻力的方向是大體相同還是相反呢？

生：大體相同，有了這種方法判斷我們不會畫錯力的方向了。

師：從數(shù)學的大小關系式看，動力臂與阻力臂大小有幾種可能？

生：分別是大于、小于還有等于。

師：當動力臂大于阻力臂時，動力小于阻力，是省力杠桿；當動力臂小于阻力臂時，動力小于阻力，是費力杠桿；當動力臂等于阻力臂時，動力等于阻力，是不省力也不費力的杠桿。

師：可見杠桿分為三種不同的類型。請分析，古埃及人修建金字塔所用的杠桿，小小彈簧秤可測大象重的杠桿，掃地的掃把、釣魚竿、抽水機的搖手柄、剪頭發(fā)的剪刀，剪鐵皮的剪刀名是什么類型的杠桿？

生：………

復習鞏固、分組討論

有關天平的三個問題

1. 調節(jié)天平橫梁平衡時，發(fā)現(xiàn)指針指在分度盤左邊，如何調節(jié)天平的平衡？（提示：指針總是與橫梁垂直）

2. 有一個不等臂天平，設天平左臂長為L1，右臂長為L2，第一次將物體放左盤，平衡時，右盤砝質量為m1，將物體放右盤，左盤放砝碼，天平平衡時，砝碼質量為m2。根據(jù)杠桿平衡條件，能算出物體的質量嗎？

3. 你會配置比砝碼盒中質量最小的砝碼還小的砝碼嗎？

4. 不法商人為達到牟取更多的利潤，往往在桿秤的秤錘上或秤盤上做文章，請問讓他們的質量變大還是變小可達到牟取利潤的目的？

布置作業(yè)

1. 寫本實驗報告

2. 利用身邊的器材制作一把小桿秤，比比看誰的秤測量更準確。