自制教具在滑輪教學(xué)中的應(yīng)用①

葉志煒 黃樹清

(福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院,福建 福州 350117)

1 引言

“滑輪”是人教版初中物理第十二章第二節(jié)的內(nèi)容,本節(jié)主要講述動(dòng)滑輪和定滑輪的區(qū)別、特點(diǎn)及其在日常生活中的應(yīng)用。在本節(jié)的實(shí)際教學(xué)中,學(xué)生往往不能真正理解滑輪的實(shí)質(zhì)是變形的杠桿,并且對(duì)于定滑輪和動(dòng)滑輪的區(qū)別存在認(rèn)識(shí)誤區(qū)。兩種滑輪的支點(diǎn)(轉(zhuǎn)動(dòng)軸)的確定和滑輪的組合應(yīng)用也是本節(jié)的重難點(diǎn)，為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力,教師可利用自制教具，引導(dǎo)學(xué)生掌握滑輪的相關(guān)知識(shí)，而自制教具是利用身邊的材料,利用簡(jiǎn)易、合理的方式制作而成的教具。[1]

2 教具的制作與設(shè)計(jì)

2.1 材料準(zhǔn)備

木塊、螺絲釘、細(xì)線、貼紙、重物、鐵架臺(tái)等。

2.2 制作過程

如圖1所示，在木板上畫出兩個(gè)半圓和杠桿輪廓，加工鋸出,后期磨平,讓它們能夠相互契合,為了減小摩擦力,在接觸的位置貼上光滑的貼紙,在杠桿的中央鉆孔,以方便固定在鐵架臺(tái)上進(jìn)行展示,在兩端鉆孔，插入帶有圓孔的螺絲釘,用來懸掛繩子進(jìn)行分析。

圖1

3 自制教具在教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 滑輪的實(shí)質(zhì)

對(duì)于滑輪的實(shí)質(zhì)分析,我們可以先創(chuàng)設(shè)一個(gè)問題情景:用等臂杠桿將水桶從深井里提出(圖2)。學(xué)生容易發(fā)現(xiàn)：由于井的深度比杠桿大得多,因此當(dāng)杠桿一端觸底后,水桶無法被提出。進(jìn)而向?qū)W生提問：怎樣才能提出水桶?如要提出水桶,那么繩子就要被全部拉出,因此引導(dǎo)學(xué)生分析：如果杠桿可以旋轉(zhuǎn)起來,繩子就會(huì)不斷被拉出,那么水桶就可以被提出。所以教師可以提高杠桿位置,使其能夠旋轉(zhuǎn)起來,并且當(dāng)?shù)缺鄹軛U旋轉(zhuǎn)起來后,從而很容易觀察出其形成了圓形,那么我們可以將這個(gè)圓形視為無數(shù)個(gè)同心等長(zhǎng)等臂杠桿所組成。根據(jù)此思路,將等臂杠桿改裝成圓形物體,即為滑輪(圖3),使學(xué)生理解滑輪的實(shí)質(zhì)就是變形的杠桿。

圖2

圖3

3.2 學(xué)生對(duì)定滑輪和動(dòng)滑輪的認(rèn)識(shí)誤區(qū)

在開始學(xué)習(xí)定滑輪和動(dòng)滑輪時(shí),有部分學(xué)生望文生義,以為定滑輪是靜止不動(dòng)的,而動(dòng)滑輪是運(yùn)動(dòng)的。據(jù)此,教師便可在滑輪教具上貼一個(gè)標(biāo)記,讓學(xué)生觀察當(dāng)兩種滑輪工作時(shí)標(biāo)記物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),從而很容易發(fā)現(xiàn)定滑輪并不是靜止不動(dòng),而是會(huì)旋轉(zhuǎn)。它的“定”是指工作時(shí)它的軸是固定不動(dòng)的,而動(dòng)滑輪的“動(dòng)”是指工作時(shí)它的軸是會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng),這是區(qū)分二者的依據(jù)。定滑輪和動(dòng)滑輪在結(jié)構(gòu)上看似相同，根據(jù)使用的方式不同,定滑輪和動(dòng)滑輪的角色是可以互相轉(zhuǎn)化的。

3.3 定滑輪的特點(diǎn)分析

3.3.1 使用定滑輪可以改變力的方向

分別在不使用定滑輪和使用定滑輪的情況下豎直提起重物,比較前后兩者拉力情況,學(xué)生發(fā)現(xiàn)：使用定滑輪可以改變力的方向。

3.3.2 使用定滑輪時(shí)不省力

教師進(jìn)而提問：使用定滑輪的省力情況如何?引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自制教具思考,可以將滑輪重新變換為杠桿來簡(jiǎn)化受力分析。將定滑輪模型拆解成等臂杠桿后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：杠桿的支點(diǎn)在圓心處,即動(dòng)力臂和阻力臂均等于半徑,說明定滑輪的實(shí)質(zhì)是等臂杠桿,它工作時(shí)不省力,不費(fèi)距離(圖4)。而在實(shí)際使用中還需考慮摩擦力等因素,拉力往往會(huì)略大于被拉物體所受的重力。

圖4

通過利用自制教具，實(shí)現(xiàn)滑輪到杠桿的變換,幫助學(xué)生將已有知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,有助于提高其思維靈活性。

3.4 動(dòng)滑輪的特點(diǎn)分析

3.4.1 使用動(dòng)滑輪不能改變力的方向

教師先不使用動(dòng)滑輪直接豎直提起重物,再用動(dòng)滑輪豎直提起重物,可以發(fā)現(xiàn)兩種情況下拉力的方向相同,即得出使用動(dòng)滑輪不能改變力的方向。

3.4.2 使用動(dòng)滑輪可省一半力

為了分析動(dòng)滑輪的省力情況,找到其支點(diǎn)(轉(zhuǎn)軸)是關(guān)鍵,對(duì)于動(dòng)滑輪支點(diǎn)的確定一直是學(xué)生難以理解的地方,部分學(xué)生仍會(huì)認(rèn)為動(dòng)滑輪的支點(diǎn)應(yīng)與定滑輪一樣,也在圓心處。那么利用杠桿平衡條件就會(huì)發(fā)現(xiàn)：平衡條件并不成立,也就是說動(dòng)滑輪的支點(diǎn)其實(shí)并不在滑輪圓心處。那么動(dòng)滑輪的支點(diǎn)在哪里?如何找到它?由于動(dòng)滑輪在工作時(shí),滑輪的各個(gè)部分都在運(yùn)動(dòng),那么對(duì)于動(dòng)滑輪而言,它的支點(diǎn)必定是一個(gè)瞬時(shí)點(diǎn)。

如圖5所示,為了方便學(xué)生找到支點(diǎn),教師可以將動(dòng)滑輪拆解成杠桿,豎直拉動(dòng)繩子,可以看到杠桿OA以O(shè)為中心旋轉(zhuǎn),即點(diǎn)O為支點(diǎn)。再將杠桿組成動(dòng)滑輪,確定動(dòng)滑輪與繩的接觸點(diǎn)O為動(dòng)滑輪的瞬時(shí)支點(diǎn)。[2]確定了支點(diǎn)后,可知?jiǎng)恿Ρ蹫橹睆?阻力臂為半徑,說明動(dòng)滑輪實(shí)質(zhì)是動(dòng)力臂為阻力臂兩倍的杠桿,省一半力、費(fèi)距離。在實(shí)際使用中還需考慮摩擦力等因素,導(dǎo)致動(dòng)滑輪往往無法省一半力。[3]

圖5

在此過程中利用自制教具展現(xiàn)了滑輪到杠桿、再到滑輪的全過程,幫助學(xué)生理解動(dòng)滑輪瞬時(shí)支點(diǎn)的實(shí)際位置,逐步理解知識(shí),培養(yǎng)了學(xué)生的類比推理能力。

3.5 滑輪在輪軸中的應(yīng)用

在實(shí)際生活中,滑輪往往不會(huì)單獨(dú)使用,而是通過組合的方式形成各種新的物理模型。我們知道一根等臂杠桿連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)可以成為滑輪,那如果用兩根長(zhǎng)度不一樣的等臂杠桿拼在一起繞著圓心同軸旋轉(zhuǎn)呢?可以看出,此時(shí)形成了兩個(gè)半徑不一樣的圓。教師可將兩個(gè)直徑不同的自制滑輪教具在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝,引出新的一種裝置——輪軸(圖6)。根據(jù)輪軸的組成結(jié)構(gòu)來分析:當(dāng)把重物掛在小圓邊緣處,在大圓邊緣處用力,那它就是省力杠桿,但費(fèi)距離。當(dāng)把重物掛在大圓邊緣處,在小圓邊緣用力,那它就是費(fèi)力杠桿,但省距離；若在大圓邊緣處用力,就成了等臂杠桿,可以改變力的方向。使學(xué)生懂得生活中的門把手和方向盤其實(shí)都是利用輪軸模型設(shè)計(jì)而成。

圖6

在該過程中利用輪軸教具，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握輪軸模型的理論分析與實(shí)際應(yīng)用,拉近了物理與生活的距離,有助于提高學(xué)生將理論應(yīng)用于實(shí)踐的能力。

4 結(jié)語

在滑輪教學(xué)中利用自制教具“探究滑輪實(shí)質(zhì)演示儀”，可以充分發(fā)揮教具將抽象轉(zhuǎn)化為直觀的作用,有效提高課堂效率,幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變錯(cuò)誤認(rèn)知。學(xué)生在此過程中逐步掌握力學(xué)儀器的原理,在思考中感悟教具改裝中的科學(xué)方法。