“探究杠桿的平衡條件”實(shí)驗(yàn)核心解讀

摘要：本文解讀“探究杠桿的平衡條件”實(shí)驗(yàn)與中考相關(guān)的所有問題.探究杠桿平衡條件這一實(shí)驗(yàn)是初中物理的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)之一，也是難點(diǎn)實(shí)驗(yàn)之一，往往在教學(xué)過程中，由于學(xué)生存在知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的不足，常存在這樣或那樣的疑惑，對(duì)某個(gè)問題總不清晰或存在某些誤區(qū)，下面就本實(shí)驗(yàn)的核心問題進(jìn)行解讀，以供大家在教學(xué)中參考.

關(guān)鍵詞：探究；杠桿平衡；實(shí)驗(yàn)

作者簡介：張秀娟，女，安徽省廬江縣，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).

問題一、探究杠桿平衡條件的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘裁矗?/p>

【解讀】實(shí)驗(yàn)?zāi)康木褪窃搶?shí)驗(yàn)所解決的問題，探究杠桿平衡條件的課題就是實(shí)驗(yàn)要解決的問題，所以本實(shí)驗(yàn)的目的是探究杠桿的平衡條件或者是探究杠桿原理.

問題二、探究杠桿平衡條件這個(gè)實(shí)驗(yàn)，需要哪些器材？

【解讀】一般情況下需要杠桿、支架、刻度尺、細(xì)線、質(zhì)量相同的鉤碼若干.有時(shí)將杠桿與直尺組合成杠桿平衡儀，且杠桿平衡儀上有專門掛鉤碼的鐵絲環(huán)或塑料滑環(huán)，這時(shí)可不用細(xì)線，如圖1所示的杠桿.如果杠桿上沒有鐵絲環(huán)或塑料滑環(huán)，則要用細(xì)線制作滑環(huán)，如圖2所示的杠桿.

問題三、使用杠桿平衡儀，為什么還用刻度尺呢？

【解讀】杠桿平衡儀上每大格并不都是1cm，有的是2cm或3cm或4cm或5cm，如果杠桿上標(biāo)有5、10、15、20的字樣，表示每大格為5cm，可能每大格還分成5至10個(gè)小格，實(shí)驗(yàn)時(shí)可不用刻度尺，如果杠桿上只標(biāo)注分格線，沒有數(shù)字，在直接讀取力臂時(shí)，每格是多少厘米不能確定，操作時(shí)要求先用刻度尺測出每格是多少厘米，最后計(jì)算力臂.如果按格數(shù)來讀取力臂，實(shí)際上是讀取力臂是多少格，雖然不影響探究的結(jié)論，但實(shí)際上忽略了力臂的單位，如果在實(shí)驗(yàn)中，表格中給出力臂的單位，這時(shí)就不能格數(shù)來表示.

問題四、杠桿在什么狀態(tài)才平衡？

【解讀】物體處于平衡狀態(tài)的條件是物體受到平衡力作用或不受力，此時(shí)，物體處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，該物體處于平衡態(tài).物體受力而平衡，這些力的作用線是交于一點(diǎn)的，杠桿在幾個(gè)力的作用下，這幾個(gè)力的作用線并不相交于一點(diǎn)；在杠桿受兩個(gè)力作用時(shí)，當(dāng)使杠桿向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)的力與力臂的乘積相等，這時(shí)杠桿平衡，杠桿平衡指杠桿處于靜止或勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài).

問題五、為什么在實(shí)驗(yàn)前與實(shí)驗(yàn)過程中都讓杠桿在水平位置平衡？

【解讀】實(shí)驗(yàn)前使杠桿在水平位置平衡的作用是：使杠桿的重心落在支點(diǎn)上（重力的作用線經(jīng)過支點(diǎn)），這樣杠桿自重的力臂等于0，如圖3所示，這時(shí)杠桿重力對(duì)杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)不產(chǎn)生影響，這樣就避免杠桿自重對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響.而實(shí)驗(yàn)過程中使杠桿在水平位置平衡的目的是使動(dòng)力與阻力的力臂正好落在杠桿上，如圖4所示，這樣便于測量力臂.

問題六、實(shí)驗(yàn)前與實(shí)驗(yàn)過程中分別是怎樣使杠桿平衡的呢？具體上有何技巧？

【解讀】實(shí)驗(yàn)前是通過調(diào)節(jié)平衡螺母來實(shí)現(xiàn)的；技巧是杠桿的哪側(cè)高，可將任一側(cè)的螺母向該側(cè)調(diào).如圖5所示，應(yīng)該將左側(cè)或右側(cè)的平衡螺母向左調(diào).實(shí)驗(yàn)過程中是通過增減鉤碼個(gè)數(shù)（或改變拉力）或移動(dòng)鉤碼的位置來實(shí)現(xiàn)的；技巧是哪側(cè)高，可向該側(cè)增加鉤碼（或在另一側(cè)減少鉤碼），也可將鉤碼向高的一側(cè)移動(dòng).如圖6所示，可以在杠桿左側(cè)增加鉤碼，也可在杠桿的右側(cè)減少鉤碼個(gè)數(shù)，也可以將左側(cè)鉤碼向左移動(dòng)，也可將右側(cè)鉤碼向左移動(dòng).

問題七、只測一組數(shù)據(jù)得出“動(dòng)力+動(dòng)力臂=阻力+阻力臂”，這一結(jié)論為什么是錯(cuò)誤的呢？如果得出：“動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂”這一結(jié)論算正確嗎？

【解讀】前者是錯(cuò)誤的，因?yàn)椴煌奈锢砹坎荒芗訙p；后者結(jié)論是正確的，但這樣就處理數(shù)據(jù)，得出結(jié)論是不妥的.因?yàn)橐淮螌?shí)驗(yàn)，結(jié)論具有偶然性，結(jié)論往往不具有普遍性.

問題八、為什么要多次測量而且是在改變動(dòng)力或阻力、改變力臂的不同情況下來進(jìn)行呢？

【解讀】物理學(xué)上在測量某個(gè)固定物理量時(shí)，多次測量目的是取平均值，減小誤差；在找規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中，一次測量具有偶然性，結(jié)論不可靠，只有進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)與測量，才能對(duì)數(shù)據(jù)歸納與總結(jié)，這樣結(jié)論才具有普遍性.同樣，如果只改變動(dòng)力或阻力，也能得出結(jié)論，但它應(yīng)該加上“力臂不變時(shí)”這個(gè)條件；其實(shí)，力臂變化時(shí)，杠桿的平衡條件也是成立的，不多次改變力或力臂，雖然能得出結(jié)論，但它不代表任何情況下都能成立，實(shí)驗(yàn)不符合普遍情況下總結(jié)物理規(guī)律的要求.

問題九、“動(dòng)力×支點(diǎn)到動(dòng)力作用點(diǎn)的距離=阻力×支點(diǎn)到阻力作用點(diǎn)的距離”這一結(jié)論是否正確呢？

【解讀】這個(gè)結(jié)論是在動(dòng)力與阻力都在豎直情況下成立，而在動(dòng)力或阻力不豎直時(shí)則不成立.因?yàn)橹辉谠趦蓚€(gè)力都豎直時(shí)，力臂與支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)間距離成正比，如果力不豎直，則這一比例關(guān)系不存在.

問題十、實(shí)驗(yàn)中動(dòng)力與阻力都是豎直的，這算不算實(shí)驗(yàn)結(jié)論還具有特殊性呢？

【解讀】算，按道理應(yīng)該探究動(dòng)力、阻力在各種方向時(shí)的結(jié)論，考慮到不豎直的動(dòng)力或阻力，它有力臂不落在杠桿上，給測量力臂帶來一定的難度，為了降低難度，在初中探究中不作“必須”的要求.

問題十一、如果要進(jìn)一步探究動(dòng)力與阻力在任意方向杠桿平衡條件都成立，應(yīng)該怎么做？

【解讀】這就要利用彈簧測力計(jì)提供拉力，并測出力的大小，同時(shí)利用三角板與直尺來測量力臂.往往要兩人合作或在增加一塊豎直的紙板，用鉛筆描出力的方向，用三角板在紙板上畫出力臂再測量.

問題十二、為什么在杠桿兩邊不同的位置掛適當(dāng)?shù)你^碼，杠桿也能平衡呢？為什么實(shí)驗(yàn)時(shí)不這樣探究呢？

【解讀】實(shí)際上應(yīng)該按照如圖7所示的方式來探究.要知道，力與力臂的乘積是有方向的，這個(gè)方向就是杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的方向.使杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同的“力與力臂的乘積”就像物體在某點(diǎn)受到相同方向的力一樣，可以進(jìn)行相加.廣義上杠桿的平衡條件應(yīng)該是使杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的“力與力臂乘積的代數(shù)和相等”，而初中不作要求，如果這樣探究，就很難歸納總結(jié)結(jié)論.

問題十三、實(shí)驗(yàn)表格上“力×力臂”的單位用N·m，也有的表格上“力×力臂”的單位用N·cm，為什么都可以？

【解讀】前者單位為國際單位，后者單位為常用單位，其實(shí)，杠桿平衡條件兩邊的單位是相同的，可以削除，兩種單位都不影響結(jié)論的得出，但兩邊單位要一致.

問題十四、用測力計(jì)代替鉤碼，對(duì)實(shí)驗(yàn)來說，有何優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)？

【解讀】用測力計(jì)代替鉤碼有兩種方式，如圖8與如圖9所示，優(yōu)點(diǎn)是鉤碼位置一旦確實(shí)，測力計(jì)拉力的作用點(diǎn)也確定，很容易使杠桿在水平位置處于平衡，且容易讀出拉力的大小.缺點(diǎn)是很難保持測力計(jì)呈豎直狀態(tài)，這樣力臂與支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)間的距離不重合，拉力的力臂總是偏小，從而拉力總是偏大.

問題十五、若支點(diǎn)不在杠桿的中點(diǎn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)為什么得不出杠桿的平衡條件？

【解讀】如圖10所示，在這種情況下，杠桿重心不在支點(diǎn)上，杠桿自身的重力對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響，相當(dāng)于杠桿在三個(gè)力作用下平衡，而實(shí)驗(yàn)時(shí)往往沒有把杠桿重力產(chǎn)生的效果加入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析之列，這時(shí)測出的拉力偏大，最后結(jié)論與杠桿平衡條件不相符.

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