初中物理“力臂”教學淺探

初中學生雖接觸物理不久，但仍會在學習過程中遇到很多物理概念。因此，物理概念教學就成為整個物理教學的重點。初中物理概念的建立一般都要經歷以下幾個過程，通過對大量物理現象的仔細觀察積累一定的素材，再通過對比研究后提出問題、實驗探究、分析論證，抽象出物理模型，最后獲得物理概念。但是，在蘇教版物理教材上，有很多概念是直接給出的，比如“力臂”、“功”的概念，這樣，學生先知道“是什么”、“怎么用”，有可能使學生失去學習的原動力，因此，教學效果難以提高。所以在物理概念教學中，一定要重視物理概念的建立過程，要讓學生參與概念建立的全過程。下面就“力臂”教學中有關“力臂”概念的建立談一些想法和做法。如有不當之處，敬請大家批評、指正。

有關“力臂”的教學，與蘇教版的教科書相對應的教師教學用書給出了這樣的說法：“在力和運動一章中所提到的運動主要是平動，力的作用效果與力的三要素有關。本節的學習內容與轉動有關，這里的力的作用效果不僅與力的三要素有關，還與力臂有關。”如果我們就按這種說法來進行教學的話，學生肯定會產生如下的疑問：原來我們知道力對物體的作用效果決定于力的三要素，現在要不要加上“力臂”這第四個要素呢？其實，我們知道，作用在杠桿上的力的大小、方向和作用點確定以后，力對杠桿的作用效果就確定了。因此，教師應該明確無誤地告訴學生，影響力對物體作用效果的因素就是力的大小、方向和作用點。但是，有的教師認為“力臂”的變化確實影響力對杠桿的作用效果，“力臂”好像也是影響力對杠桿作用效果的因素之一。同樣學生在學習“杠桿”這一節內容時，始終有些問題困擾著學生，研究杠桿時，為什么要引入“力臂”的概念？人們是怎么想到“力臂”這個概念的？這里我是這樣認為的，人們為了能夠探究得到杠桿的平衡條件，影響力對杠桿作用效果的因素盡可能是數字量化的，其中，力的大小可以用量化的數字表示大小，但是力的方向和作用點不能用量化的數字來表示的。因此，人們引入“力臂”僅僅是為了反映力的方向、力的作用點對杠桿共同作用的效果，即在研究力對杠桿作用效果時，“力臂”這一因素可以代替力的方向和力的作用點兩個因素對杠桿轉動時的共同影響。所以，在物體平動時，我們可以從力對物體的作用效果決定于力的大小、方向和作用點的角度來研究；在杠桿轉動時，我們可以從力對物體的作用效果決定于力的大小和“力臂”的大小的角度來研究。基于以上的想法，可按如下的思路展開教學的。

一、確定影響杠桿作用效果的兩個因素——力的大小和一個可以用數字量化的物理量

在教學過程中，我們可以先讓學生回憶“力和運動”中所提到的力的作用效果與力的三要素有關，結合教師開關教室門的演示實驗：分別改變力的大小、力的方向和力的作用點，發現力對杠桿的作用效果不同，從而說明力對杠桿作用效果也與力的三要素有關。接下來再讓學生設計實驗研究力對杠桿作用效果與力的三要素的具體關系。可以讓學生先設計“力對杠桿作用效果與力的大小的關系”的實驗，大部分學生設計了如圖1所示的實驗，在P點掛上不同數量的鉤碼，在A點用彈簧測力計豎直向下拉，使杠桿水平平衡，發現P點掛的鉤碼越多，彈簧測力計的讀數越大，從而得到結論：在力的方向和作用點相同時，力的大小越大，力對杠桿的作用效果越大。

（實驗要讓學生明白：①設計實驗用控制變量法；②P點所掛鉤碼的數量越多表明力對杠桿作用效果越大。）

在設計“力對杠桿作用效果與力的方向和作用點關系”實驗時，教師引導學生分析，進行實驗后能不能得到與上述實驗相類似的結論，究其原因是因為力的方向和力的作用點不是可以用數字來量化的物理量，這時教師及時引導學生提出如下問題：能否找到一個可以用數字量化的物理量來等效替代力的方向和力的作用點呢？

二、確定量化的物理量叫“力臂”

教師幫助學生確定，力對杠桿的作用效果決定于力的大小和一個可以數量化的物理量。為了能找到這一物理量，教師設計了如圖2所示的實驗，在杠桿的P點先掛上一個鉤碼，杠桿右端的物體移動至A點使杠桿水平平衡；在杠桿的P點再增加一個鉤碼，杠桿右端的同一物體移動至B點使杠桿水平平衡。引導學生分析：在力的大小相同的情況下，力對杠桿的作用效果只與“手臂的長度”有關，師生形成初步認識，“手臂的長度”可以代替“力的方向和作用點”，人們習慣把這個“力作用的手臂長度”叫做“力臂”。師生初步確定可以用“力臂”來替代力的方向和作用點，即研究力對杠桿作用效果時只考慮力的大小和“力臂”的大小。

三、確定“力臂”的定義

根據上面的實驗現象，學生很容易得出“力臂”的定義為支點到力作用點的距離。為了驗證學生剛得出的“力臂”定義是錯誤的，教師設計了如圖3所示的實驗，在P點掛上一個鉤碼，在A點分別用彈簧測力計沿不同方向拉，使杠桿處于水平平衡狀態，讀出力的大小都不同。根據杠桿左邊掛一個相同的鉤碼說明力對杠桿的作用效果相同，因為力的大小不同，所以“力臂”大小也不同，而支點到力作用點的距離是相同的，從而間接說明“力臂”的定義不可能是支點到力作用點的距離。那么，“力臂”的定義究竟是什么？教師設計了如圖4所示的實驗，在P點掛一個鉤碼，在A點用彈簧測力計豎直向下拉，使杠桿水平平衡，讀出彈簧測力計的讀數為F；在P點依舊掛一個鉤碼，在B點用彈簧測力計斜向下拉杠桿，改變力的方向，使彈簧測力計讀數為F時，使杠桿水平平衡。引導學生分析，P點掛著同一個物體意味著力對杠桿的作用效果相同，如果作用在A、B兩點的力的大小相同，則表示兩個力對應的“力臂”也應該相同。這時教師應該指導學生在根據實驗結果畫的簡圖上尋找相同的線段，（為了幫助學生，可以在圖上添加一些輔助線，已用虛線在圖上表示）學生利用刻度尺很快找到OA、OC的線段相等，初步認定這兩個線段的長度就是力對應的“力臂”的大小。然后根據上面兩個線段的幾何特征，師生共同確定“力臂”的定義為支點到力作用線的距離。（教師先確定力作用線是沿著力的作用方向的直線，讓學生明白力的作用線是人為添加的輔助線，一般用虛線畫）然后，學生設計多次實驗來驗證結論的正確性。（教師引導學生設計在力相同時，作用力對應的支點到力作用線的距離越大，力對杠桿的作用效果是否越大？或者在力相同時，任意作用在杠桿上的力對應的支點到力作用線的距離相等，力對杠桿的作用效果是否一定相同……）最后，教師告訴學生，人們通過大量的研究表明“力臂”的定義與我們研究的結論相同，并一直沿用至今。

學生經過以上探究，了解“力臂”概念建立的過程，這樣不僅幫助學生對“力臂”的含義有了較深刻的理解，還能讓學生得到一次科學探究能力鍛煉的機會。有的教師認為花費大量的時間來了解“力臂”建立的過程有點得不償失，其實不然，從實際的教學情況來看，學生在理解“力臂”概念的基礎上，下一階段怎樣畫“力臂”和探究杠桿的平衡條件變得容易了很多，收到了事半功倍的效果。

我們曾經認為物理概念是前人智慧的結晶，并被大家認同，物理概念的教學無非是先讓學生學習概念的定義，根據定義的內容了解概念的一些注意點，其次通過例題教學來加深學生對概念的理解，最后通過學生練習加以鞏固。以“力臂”教學為例，根據教學目標，畫“力臂”是本節教學重點。在本節課教學中，教師一般先直接給出杠桿五要素的定義，然后重點指導學生畫“力臂”，并且總結了一般畫“力臂”的步驟：①找支點的位置，②畫力的作用線，③從支點到力的作用線作垂線。教師在黑板上示范作圖，并讓學生多練習、多體會，最終學生也能掌握“力臂”的畫法。我認為這種概念教學方法主要缺點在于：概念的背景引入上著墨不夠，沒有給學生提供充分的概括本質特征的機會，沒有調動學生學習的能動性，長此以往，學生的能力得不到有效的提高，不能有效培養學生的物理素養。初中物理概念教學是培養學生科學素養的一種途徑，要引導學生上好每堂概念教學課，教師要對初中物理概念進行歸類，從本著有利于學生學習物理概念的角度出發，找到合適的教學方法。

（責任編輯易志毅）