蘇科版《探究杠桿的平衡條件》教學設計

摘 要：“探究杠桿的平衡條件實驗”是《杠桿》教學的重點內容，是中考的熱點實驗.如何讓學生自我感悟出實驗的設計思路，試測中自主選擇好實驗方案；教與學中，怎樣在老師的適度引領下，讓學生深入細致的經歷探究性實驗活動，充分地開展交流和討論，在探究過程中發展學生探究能力，培養科學態度和科學精神.該“教學設計”得到了有效的體現.

關鍵詞：杠桿；杠桿平衡條件；最大力臂；科學探究

作者簡介：張正太，男，江蘇省特級教師，高港區物理名師工作室領銜人，高港區兼職物理教研員，研究方向：初中物理科學探究的教學.

1 教材分析及設計思路

1.1 《杠桿》一節教材分析

“簡單機械和功”一章中所研究的機械主要含有杠桿、輪軸、滑輪、斜面等，杠桿類簡單機械，是生產、生活中常見的簡單機械，也是較復雜機械的基本單元.杠桿的應用中所體現出的力與移動的距離的關系，是建構“功”及學習機械效率的基礎，因而“杠桿”一節是本章教學的重點.《課程標準（2011年版）》要求：“知道簡單機械.通過實驗，探究并了解杠桿的平衡條件”.“知道簡單機械”屬于“了解”水平.而對杠桿平衡條件的要求，則既包含過程，又包含結果.可見“實驗：探究杠桿的平衡條件”更是杠桿一節的重中之重.蘇科版《杠桿》雖為一節，筆者分為三課時完成.第一課時，主要是引導學生從日常接觸的物體中認識杠桿的特點，辨別杠桿，掌握杠桿的五要素，科學構建“力臂”概念，正確畫出動、阻力的示意圖及對應的力臂.第二課時，探究杠桿的平衡條件.第三課時，運用杠桿的平衡條件解決實際問題.

1.2 “探究杠桿的平衡條件”設計思路

第二課時，在探究杠桿的平衡條件實驗中，是讓學生緊扣“力臂”，在已有知識與技能的基礎上，提出只探究杠桿在兩個力作用下的平衡條件，并本著操作便捷、科學合理的做法.由學生感悟并自主設計實驗，通過實驗得出有代表性的幾組數據，討論與交流，找出四個物理量之間的關系.在探究活動中，認識“杠桿的平衡條件”并進行分類，在教科書“生活·物理·社會”欄目的實例中進一步辨別不同種類杠桿及用途，再通過實驗探究，在只改變動力方向的前提下，感悟最省力動力方向的確定，突破“最大動力臂”這一難點.總之，對“杠桿”一節的教學，要充分發揮實驗的功效，讓學生經歷對知識的探究過程，發展學生探究問題和解決問題的能力，培養學生的科學態度和科學精神.《杠桿》教學，整體要體現出“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念.

2 杠桿平衡條件的教學設計

2.1 學習目標

（1）通過實驗探究，總結出杠桿的平衡條件；依據杠桿平衡條件，對杠桿進行分類并了解其應用.

（2）運用杠桿平衡條件，并通過實驗探究，發現和總結出最大動力臂的作法.

2.2 學習重、難點

重點：探究杠桿平衡的條件實驗；

難點：最大力臂的作法.

2.3 課前準備

（1）根據二力平衡知識和上節課對“力臂”的科學建構及認識，完成下列填空：①杠桿在動力、阻力的作用下平衡時，杠桿應處于或狀態；②杠桿平衡時，動力的大小與哪些因素有關？.

（2）在探究杠桿的平衡條件時，圖1中五幅實驗裝置圖，均處于靜止狀態.你認為調節到平衡狀態時，應選裝置測量更為方便而又科學合理（請你在課堂上大膽的闡述其理由）.

2.4 新課教與學

2.4.1 實驗：探究杠桿的平衡條件

活動1 交流課前準備題

師生交流課前準備題，歸納總結：

（1）杠桿平衡：在力的作用下杠桿保持靜止狀態或繞支點勻速轉動；杠桿平衡時，影響動力F1大小的因素有： 阻力F2、阻力臂L2、動力臂L1 .

（2）若只探究杠桿在兩個力作用下的平衡條件時，上述五幅實驗裝置圖中，選擇平衡狀態時，應以甲、乙、丁 裝置.理由是： 動、阻力為豎直方向與水平杠桿垂直，可從杠桿上直接讀出力臂 .

（3）綜上，實驗設計的總體思路：實驗時，杠桿必須水平平衡，動、阻力必須保持豎直方向；杠桿自重不產生轉動效果.

活動2 實驗探究：杠桿的平衡條件（實驗與記錄）

實驗設計及操作：

（1）安裝好杠桿見圖2，若不調平，輔助杠桿水平后釋放，杠桿自重產生轉動效果；為使杠桿橫梁在水平位置平衡，應將兩端平衡螺母向左調，直至水平靜止.

這樣做是為了 杠桿水平時，自身重力不產生轉動效果.

試一試：若將已調平后的杠桿置于傾斜位置后釋放，觀察到的現象是 會轉動至水平位置 .

（2）調平后，為什么在探究杠桿平衡條件時，要使杠桿水平平衡？ ①便于從杠桿上直接讀取力臂；②杠桿自重不產生轉動效果 （平時教學中，普遍存在著學生機械式操作，不能真正知曉測量前的調平同時也是為了確保測量時水平，排除杠桿自重對杠桿產生的轉動效果.讓學生經歷上述操作來感悟， 就顯得是那么自然而又必要）.

教師：同學們在前面交流與討論“課前準備”題時，已認定以甲、乙、丁裝置為平衡狀態，若是從實際可操作的角度，哪一種更好？讓我們用事實來說話吧.接下來，請同學們先將彈簧測力計的秤鉤朝下在豎直放置時“校零”，并在已調水平的圖1杠桿上距支點三等格的B點掛3只鉤碼；在距支點兩等格的A點用彈簧測力計秤鉤朝上豎直下拉（圖甲），或在A點試掛鉤碼（圖丁），或在支點左側距支點兩等格處用彈簧測力計秤鉤朝下豎直上提（圖乙），使杠桿水平平衡，記錄數據.試一試，結果會怎樣？

學生：實驗操作與交流.①按“圖丁”做法，在試加鉤碼時，4只鉤碼少，5只鉤碼多， 單憑加掛鉤碼來測動力，此時還真沒轍.而使用彈簧測力計在豎直方向上施力，因彈簧測力計的刻度是 連續變化 的，故能方便測出.②對比圖甲和圖乙的操作，在阻力、阻力臂、動力臂都一樣，動力略有差異.用彈簧測力計豎直上拉稍大一點.很顯然按圖 乙的彈簧測力計操作是科學合理的.endprint

（教師引導，學生操作比較，自主選定實驗方案.順便提及一下，教科書中是選用“圖甲”的操作，并在教師教學參考書中給出了科學的“校正”辦法，校正后的實驗操作，確實科學、便捷，但就其“差異”的原因，老師在學生面前很難講清楚.建議：在先測出該彈簧測力計自重后，仍按常規使用.即秤環朝上用細線系于杠桿上，手指施力于秤鉤豎直下拉，所測動力應為“測力計示數加上測力計自重”.這也彌補了“圖乙”的操作中所測每組數據， 都為動、阻都在支點的同一側這一不足.）

（3）學生在剛得出的這一組實驗數據的基礎之上再按：①保持鉤碼和彈簧測力計的位置不變，改變鉤碼的數量；②保持鉤碼的數量和位置不變，改變彈簧測力計的位置；③保持彈簧測力計的位置和鉤碼的數量不變，改變鉤碼的位置.將所測數據記入課本表格中（采用控制變量法，體現教科書意圖.老師提醒學生：所得到的數據，既有省力也要有費力和相等這三種情，確保有一定的代表性）.

（4）學生分析表格中的數據，充分交流和討論.

①杠桿的平衡條件： 動力×動力臂=阻力×阻力臂 ；用字母表示F1L1=F2L2.

②小甜在分析表格中的數據時，還得出這樣的結論：動力乘以支點到動力作用點的距離等于阻力乘以支點到阻力作用點的距離.為確認其真偽，你認為實驗時最為簡捷有效的做法是 將彈簧測力計由豎直拉改為斜拉 .（ 在充分交流后呈現出上述兩種觀點，再讓學生通過實驗給出定論）

（5）師生交流與總結：情形之一：小明實驗時，使杠桿在圖3中位置平衡.①此時杠桿是處于平衡狀態嗎？ 平衡狀態 ；②你認為有何不妥之處？ 阻力臂不能直接讀出 ； 杠桿自重產生轉動效果 （后空的作答常會遺漏，其因是學生實驗時，沒有通過實驗及時揭示這一問題）.

情形之二：小華實驗時，使杠桿在圖4位置平衡.①你認為F·OC ﹥ G·OA，為什么？ L1﹤OC ；②在探究杠桿的平衡條件實驗測動力時，彈簧測力計要保持豎直方向.

情形之三：小祥在已調水平的杠桿支架圖2裝置上的A、B點處各加掛3、2只鉤碼，杠桿恰好水平.他便得出這樣的結論：2G0+3L0=3G0+2L0.①你認為他的結論可靠嗎？請你指出他的錯誤： 一組數據所得結論可能存在偶然性；不同種物理量不能相加 .

（6）為什么在探究杠桿平衡條件時，要測量記錄多組實驗數據？ 便于發現和總結出普遍規律 .

（讓學生積極參與實驗設計，充分體驗探究的過程，提出各種想法和觀點并進行充分的交流和討論）

2.4.2 杠桿分類

活動3 杠桿分類

（1）分析表格“活動2”中的相關實驗數據，請你回答：①省力杠桿：L1﹥L2，實例鍘刀. ②費力杠桿：L1﹤L2，實例鑷子.③天平的實質是等臂杠桿.

（2）判斷教科書p5頁圖11-6中常見器具中，屬于省力的杠桿是；費力的杠桿是；等臂杠桿是. 它們在使用時各有何特點？

（3）剪刀是生活中常見的工具，它也是一種杠桿.你是否注意到，從事不同行業的人所用的剪刀各有特點？

2.4.3 最大動力臂

活動4 最大動力臂的作法探究

（1）做一做：①在上述圖3的基礎上，只改變動力的方向并保持杠桿一直在該位置平衡，觀察動力F大小的變化情況是：與OA垂直方向動力F；向兩側方向轉動時，動力；②試畫出動力向兩側方向轉動時的動力臂，其對力臂的大小進行比較.

（2）結論：阻力、阻力臂的大小一定及動力作用點一定時，以支點到動力作用點的連線段長為動力臂，則為動力臂，此時動力F.

（3）作圖分析：圖5-a 中，在A點施力，沿什么方向，最省力？ 作出動力示意圖（邊作畫圖，邊總結作圖步驟）.

（4）作圖分析：圖5-b中，在杠桿上哪點施力，沿什么方向施力，最省力？ （邊作畫圖，邊總結作圖步驟）.

（5）練一練：請在圖5-c中畫出羊角錘起釘時，所用的最小動力F的力的示意圖.（保留作圖痕跡）

2.5 課堂檢測題

（1）如圖6在探究杠桿平衡條件的實驗中，小明發杠桿左低右高，此時應將兩端的平衡向旋，使杠桿水平靜止；實驗時，總要保持杠桿在水平位置靜止，且測力計總保持上拉，這樣做的目的是.

（2）如圖7-a是在已調平的杠桿上加掛的鉤碼，此時平衡嗎？；若在兩側的物體下面分別加掛等質的物體（見圖7-b），此時杠桿端會上翹.

（3）如圖8a～f下列屬于費力杠桿的有.

（4）如圖9輕質小環沿著光滑圓弧軌道從M運動到N的過程中，細線AM上的拉力大小如何變化？

（5）（提高題）如圖10木箱對杠桿的壓力F2=100N，要用最小的力撬動木箱.

①作出動力示意圖；

②求最小動力F1

3 教學反思

本節課“實驗探究”貫穿始終，學生的主體意識得到充分體觀，創新意識與實踐得到加強.實驗設計的總體思路從學生已有的知識、技能入手，向課前延伸，以“課前準備題”形式，讓學生感悟，同時也為課堂上自主實驗探究爭取了時間；步驟的實施，細節的體現，難點的突破，都是通過實驗的嘗試讓學生感知其所以然；教學情境的精心設計，教師的適度引導，讓學生充分體驗實驗探究過程，充分交流和討論，自主獲得知識，提升能力，培養其核心素養；注重知識的運用和強化訓練，安排“當堂檢測”，提高了課堂教學的實效性.當然，正因為放手探究，總感到課堂教學的時間緊.故筆者以為可將“桿的分類”及應用調整到第三課時.這就能保證課堂教與學， 游刃有余.

參考文獻：

[1]廖伯琴.義務教育物理課程標準（2011年版）解讀[M].高等教育出版社，2012.05.

[2]劉炳昇，李蓉.蘇科版物理九年級上冊（教師教學用書）[M].江蘇鳳凰科學技術出版社，2016.08.endprint