力臂演示器的設計制作

張新旭 王文清

(內蒙古科技大學包頭師范學院，內蒙古 包頭 014000)

力臂演示器的設計制作

張新旭 王文清①

(內蒙古科技大學包頭師范學院，內蒙古 包頭 014000)

運用帶均勻小孔的ABS板，設計、制作的“力臂演示器”可以幫助學生在實驗探究過程中認識到力對杠杠的轉動作用與“力臂”的關聯，進而為學生建構“力臂”概念奠定基礎.

力臂；演示器；制作

在初中物理教學中，學生建構“力臂”概念時存在一定困難.一線教師為了讓學生通過實驗探究來建構“力臂”的概念，設計、制作了相應實驗裝置，主要有以下兩類：

第一，如圖1是教學中常用的“探究杠桿平衡條件”的實驗裝置，它的主要作用是探究杠杠的平衡條件.因杠桿平衡恰在水平位置，此時“支點到力的作用點的距離”與“支點到力的作用線的距離”恰好重合，這容易引起學生對“力臂”概念的錯誤理解.

第二，對前一裝置的改良，大概有以下三種：

(1) 如圖2所示，用彈簧測力計代替杠桿一側鉤碼；在支點處安裝一個可以旋轉、伸縮的裝置標志“力的作用線”和“力臂”.

此實驗裝置的不足是：手動控制彈簧測力計時穩定性差，實驗原理的解釋比較復雜.

(2) 如圖3所示，在支架上裝上一個定滑輪，杠桿的右端固定一個細繩使其通過定滑輪懸掛鉤碼，由支點到細繩的距離來標志“力臂”.

此實驗裝置的不足是：實驗裝置需要讓學生理解定滑輪的作用后才能進行實驗探究，而講述滑輪的工作原理要應用到杠桿原理，在知識順序上不夠合理.同時“力臂”的標志不夠明顯.

圖3

(3) 如圖4所示，杠桿右側與水平方向呈30°夾角，兩端安裝配重夾，使杠桿平衡.畫出“力的作用線”，以標志“力臂”.

圖4

此實驗裝置的不足是：采用帶有配重夾的彎折杠桿會使學生產生疑問.在標志“力的作用線時”需將杠桿移動至黑板上，使操作過程變得繁瑣.

通過對以上實驗裝置的分析、借鑒，筆者設計、制作了“力臂演示器”，如圖5所示，此實驗裝置操作過程簡單，對“力的作用線”的標志更加明顯，學生利用生活經驗和現有的知識水平，就可以進行實驗探究，易于幫助學生認識力對杠杠的轉動作用以及力臂的概念.

1 制作材料

鐵架臺一個，長347mm、寬60mm、帶均勻小孔(小孔直徑3mm)的ABS板材一塊，外徑5mm、內徑4mm、長32mm的玻璃管一根，鋁絲兩根等.

2 裝置結構

如圖5所示，取一塊帶均勻小孔(小孔大小相同，小孔的間距也完全相同)的ABS板作為杠桿，在板的上方正中固定一個水平儀，通過觀察水平儀中液泡，可以確定杠桿處于水平平衡狀態；取一個鐵架臺作為支架，將一個大小適中的螺絲固定在鐵架臺上；ABS板上橫向小孔數為奇數，中間位置一豎排小孔均可套在鐵架臺的桿上作為支點，在兩側懸掛兩個完全相同的細鋁絲掛鉤用于懸掛鉤碼.

圖5

3 制作方法

圖6

(1) 杠桿的制作

如圖6所示，所取ABS板，橫向89個小孔，豎向13個小孔，使板材中間位置豎排任一小孔套在鐵架臺的桿上時，可處于平衡狀態.為了便于觀察，將板材每三橫排小孔和每七豎排小孔的相交處作為懸掛掛鉤的小孔，用記號筆將其標志出來.

(2) 水平儀的制作

如圖7所示，在玻璃管的一端涂上大力膠，待其凝固之后，向玻璃管內加水并留有適量的空氣，將玻璃管的另一端也涂上大力膠、封口.

圖7

4 操作方法

(1) 組裝演示裝置，取適量鉤碼，用掛鉤掛在支點左右兩側同一橫排黑線所標志的小孔上，使杠桿處于平衡狀態；

(2) 保持左側掛鉤懸掛位置不變，將右側掛鉤懸掛點左右移動，觀察杠桿是否平衡；

(3) 保持左側掛鉤懸掛位置不變，再將右側掛鉤懸掛點上下移動，觀察杠桿是否平衡；

(4) 讓學生思考：為什么右側砝碼懸掛點左右移動時杠桿不平衡，而上下移動時(力的作用點發生了變化)杠桿依然平衡？由此分析并認識“支點到力的作用線的距離”對杠桿的轉動作用，進而建立“力臂”的概念.

5 結語

本演示裝置的杠桿支點及力的作用點均可以有多種選擇，而力的作用線的標志更加明顯.在幫助學生認識力對杠杠的轉動作用與“支點到力的作用線的距離”的關聯時，更加方便、簡明.

[1] 姜蘭，孫偉.平面鏡成像實驗和引入力臂實驗的改進[J].基礎教育研究，2013，(6).

[2] 王愛生.利用生活經驗突破“臂教”難點初探[J].中學物理教學參考，2005，(8).

[3] 盧軍委.創設“沖突”情景 建構“力臂”概念[J].物理教師，2013，(6).

[4] 朱向陽.通電平行直導線相互作用演示裝置[J].物理之友，2015，(3).

①名師簡介：王文清(1962— )，男，山西保德人，博士，內蒙古科技大學包頭師范學院副教授、碩士生導師,《物理之友》編委，主要研究物理課程與教學論.