滑輪教學(xué)中存在的問(wèn)題與改進(jìn)

楊紅糧 廖玉輝

摘 要：物理學(xué)科核心素養(yǎng)要求培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.從物理學(xué)科素養(yǎng)的要求可以看出，物理課堂應(yīng)特別注重實(shí)驗(yàn)探究，即提出物理問(wèn)題，形成猜想和假設(shè)，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思.目前“滑輪”這節(jié)課還存在很多不規(guī)范的探究實(shí)驗(yàn)和沒有解釋的問(wèn)題，讓學(xué)生存在錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí).

關(guān)鍵詞：滑輪;實(shí)驗(yàn)探究;理想滑輪

中圖分類號(hào)：G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ? ? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）16-0052-03

作者簡(jiǎn)介：楊紅糧（1985-），男，北京密云區(qū)人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：初中物理教學(xué)實(shí)踐研究;

廖玉輝（1976-），男，北京密云區(qū)人，本科，中學(xué)二級(jí)教師，研究方向：初中物理教學(xué)實(shí)踐研究.

滑輪是中學(xué)物理的重要知識(shí)點(diǎn)，探究滑輪特點(diǎn)可以培養(yǎng)學(xué)生探究能力，對(duì)于滑輪的特點(diǎn)教學(xué)很多課堂仍然存在不符合物理學(xué)科核心素養(yǎng)的處理方式，有的課堂把探究性實(shí)驗(yàn)做成“驗(yàn)證性”實(shí)驗(yàn)，有的課堂直接告訴學(xué)生理想滑輪特點(diǎn)然后大量做練習(xí)，有的課堂根本沒意識(shí)到滑輪兩邊繩子的拉力可能不相等，實(shí)驗(yàn)滑輪與理想滑輪之間存在很大區(qū)別，所以關(guān)于滑輪的教學(xué)還有很多需要注意的地方.

1 目前對(duì)于滑輪特點(diǎn)的探究實(shí)驗(yàn)分析

1.1 關(guān)于探究定滑輪特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)

按照如圖1甲所示的方法探究定滑輪的特點(diǎn)是很多課堂仍然使用的操作方法，左邊的鉤碼重力作為自變量，改變左邊繩子所掛的鉤碼個(gè)數(shù)，用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量右邊繩子自由端的拉力，多次測(cè)量，總結(jié)繩子自由端的拉力與物體重力之間的大小關(guān)系.

這樣做實(shí)驗(yàn)存在問(wèn)題，彈簧測(cè)力計(jì)鉤著繩子向下拉并不符合彈簧測(cè)力計(jì)使用規(guī)范，正常調(diào)零的彈簧測(cè)力計(jì)如果這樣使用，指針無(wú)法對(duì)準(zhǔn)零刻度線，測(cè)量時(shí)還不能忽略刻度盤所受到的重力，因此無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量繩子自由端的拉力.

按照如圖1乙所示的方法探究定滑輪在使用時(shí)繩子自由端的拉力與方向無(wú)關(guān)，從而說(shuō)明定滑輪的本質(zhì)是等臂杠桿，這樣做實(shí)驗(yàn)也存在彈簧測(cè)力計(jì)的使用不規(guī)范問(wèn)題，向下、斜向下和水平拉都不容易排除彈簧測(cè)力計(jì)金屬桿與刻度盤之間的摩擦，指針不容易對(duì)準(zhǔn)零刻度線，測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確.

按如圖1丙所示的方法證明定滑輪兩邊的拉力相等，當(dāng)兩邊所掛的鉤碼（每個(gè)鉤碼都相同）個(gè)數(shù)相等時(shí)，鉤碼處于靜止?fàn)顟B(tài)，說(shuō)明兩邊拉力相等，這樣做實(shí)驗(yàn)則是把探究性實(shí)驗(yàn)變?yōu)轵?yàn)證性實(shí)驗(yàn).

1.2 針對(duì)如圖1甲所示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)

新課標(biāo)及物理學(xué)科核心素養(yǎng)要求探究實(shí)驗(yàn)應(yīng)包括提出問(wèn)題、猜想與假設(shè)等七個(gè)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生體驗(yàn)探究過(guò)程就要從提出科學(xué)問(wèn)題或教師給出探究問(wèn)題開始，缺少明確的科學(xué)問(wèn)題，就沒有明確的自變量和因變量，所完成的實(shí)驗(yàn)只能算驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，所以實(shí)驗(yàn)改進(jìn)就要從明確科學(xué)問(wèn)題開始.

探究定滑輪特點(diǎn)，很多學(xué)生都有固定思維，認(rèn)為定滑輪掛在鐵架臺(tái)上，應(yīng)放在上邊，就像國(guó)旗桿頂端上的定滑輪，其實(shí)不然，研究滑輪的特點(diǎn)需要用彈簧測(cè)力計(jì)，而彈簧測(cè)力計(jì)必須向上提升，所以必須讓定滑輪固定在下邊.

按照實(shí)驗(yàn)探究七環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體驗(yàn)探究過(guò)程，設(shè)計(jì)如下.

提出問(wèn)題：如圖2甲所示，將定滑輪固定在下邊，一側(cè)用彈簧測(cè)力計(jì)拉著繩子，繩子穿過(guò)定滑輪，右手拉住繩子自由端，在此情境中提出問(wèn)題，繩子自由端的拉力F2（即手向上的拉力）與左側(cè)彈簧測(cè)力計(jì)對(duì)繩子的拉力F1有什么關(guān)系？

猜想與假設(shè)：兩個(gè)力的關(guān)系為F2 =F1.

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：左側(cè)彈簧測(cè)力計(jì)對(duì)繩子的拉力F1是自變量，右側(cè)拉力F2是因變量，改變右側(cè)繩子自由端拉力便可以改變自變量，多次改變自變量，測(cè)量并記錄自變量和因變量數(shù)據(jù)在表格中.

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)：如圖2乙所示，彈簧測(cè)力計(jì)的使用比較規(guī)范，記錄兩邊彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，將數(shù)據(jù)填入表格，實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)見表1.

分析論證：定滑輪使用時(shí)右側(cè)繩子拉力F2與左側(cè)繩子拉力F1，滿足F2=F1.

實(shí)驗(yàn)評(píng)估：多次改變自變量，觀測(cè)因變量，所得結(jié)論比較有科學(xué)性，但是結(jié)論僅限于拉力較小的范圍內(nèi)，當(dāng)繩子拉力較大時(shí)，滑輪的輪和軸之間的壓力會(huì)增大，摩擦力就會(huì)增大，主動(dòng)拉繩子使輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的力就會(huì)因?yàn)榭朔Σ炼龃螅诘?次實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)2=0.8N大于理論猜想值.所以結(jié)論應(yīng)加上修正條件，當(dāng)摩擦較小可以忽略不計(jì)時(shí)，F(xiàn)2=F1，否則F2可能略大于F1.

交流與合作：讓每一實(shí)驗(yàn)小組分享自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和過(guò)程，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，讓學(xué)生了解更多實(shí)驗(yàn)可能出現(xiàn)的未知細(xì)節(jié).

1.3 針對(duì)如圖1乙所示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)

此實(shí)驗(yàn)也可以設(shè)計(jì)成為探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體會(huì)探究過(guò)程，設(shè)計(jì)如下.

明確問(wèn)題：用定滑輪提升物體時(shí)，不同方向的拉力是否相等？

猜想與假設(shè)：很多學(xué)生會(huì)認(rèn)為拉力F可能不相等，或者由于沒有此類生活經(jīng)驗(yàn)無(wú)法提出肯定的猜想，學(xué)生無(wú)論提出哪種猜想，都是有益于學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)并認(rèn)真思考問(wèn)題，都有益于參與探究活動(dòng).

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：具體實(shí)驗(yàn)時(shí)由于彈簧測(cè)力計(jì)豎直向上拉是最規(guī)范的操作，所以這里要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，用橡皮筋代替彈簧測(cè)力計(jì)，當(dāng)同一橡皮筋伸長(zhǎng)量相同時(shí)，表明拉力相等，如果伸長(zhǎng)量不相同，則表明拉力不相等.

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)：表格未列出.

分析論證：三次實(shí)驗(yàn)橡皮筋的伸長(zhǎng)量相同，表明不同方向拉力相等.

1.4 針對(duì)如圖1丙所示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)

對(duì)本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)主要從實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn).定滑輪左側(cè)掛鉤碼，右側(cè)掛幾個(gè)鉤碼可以使兩邊平衡，讓學(xué)生經(jīng)歷猜想到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過(guò)程，多次改變左側(cè)的鉤碼個(gè)數(shù)，多次觀測(cè)右側(cè)鉤碼個(gè)數(shù)與左側(cè)鉤碼個(gè)數(shù)關(guān)系，也就是說(shuō)讓學(xué)生有改變自變量的意識(shí)，這樣才能讓學(xué)生經(jīng)歷整個(gè)探究過(guò)程，教學(xué)才符合物理核心素養(yǎng)對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)要求.

2 關(guān)于動(dòng)滑輪特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)分析

2.1 關(guān)于繩子自由端拉力F與物體受到重力G的大小關(guān)系

在很多課堂上教師為得到“使用定滑輪省一半力”即F=G/2這一結(jié)論不斷努力著，而這一結(jié)論是在不考慮動(dòng)滑輪重、繩子重和輪與軸之間的摩擦情況下才成立，在生活和實(shí)驗(yàn)中很難得到此結(jié)論.

從表格2中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)鉤碼個(gè)數(shù)較少即物體重較小時(shí)，繩子自由端的拉力F、動(dòng)滑輪重G動(dòng)和鉤碼重G滿足2F=G動(dòng)+G.當(dāng)鉤碼總重較大，物體的重遠(yuǎn)大于動(dòng)滑輪重時(shí)，理論上F接近G/2，但實(shí)際上物體越重，滑輪的輪與軸之間的摩擦也越大，得到結(jié)論2F=G動(dòng)+G非常困難，得到 “省一半力”的結(jié)論便更加不可能，在很多課堂上教師的教學(xué)行為是為了得到結(jié)論而刻意回避誤差和事實(shí).其實(shí)，得不到理想滑輪的相關(guān)特點(diǎn)沒有關(guān)系，重要的是讓學(xué)生體驗(yàn)探究過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生探究能力，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)分析問(wèn)題的意識(shí).

2.2 使用動(dòng)滑輪提升物體時(shí)，動(dòng)滑輪兩側(cè)繩子的拉力關(guān)系研究

用動(dòng)滑輪提升物體時(shí)，動(dòng)滑輪兩側(cè)繩子的拉力是否相等，兩側(cè)繩子拉力的差值與什么因素有關(guān)？

如圖3丙所示組裝器材，動(dòng)滑輪左側(cè)彈簧測(cè)力計(jì)拉力為F1，滑輪右側(cè)彈簧測(cè)力計(jì)拉力為F2，繩子自由端是主動(dòng)提升物體使滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)的一方.F2與F1之間差值ΔF與物體重G之間關(guān)系數(shù)據(jù)見表3.

通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出，動(dòng)滑輪兩側(cè)繩子拉力F1和F2是不相等，而且隨著物體重的增加，兩個(gè)力的差值ΔF也增加.所以繩子拉力、動(dòng)滑輪重和物體重之間關(guān)系應(yīng)該寫成F1+F2=G+G動(dòng).

動(dòng)滑輪兩邊繩子拉力不相等的原因分析.

按照如圖3丙所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)右邊自由端拉力F2驅(qū)使滑輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)從而提升重物時(shí)，F(xiàn)2>F1;當(dāng)自由端向下“退縮”一點(diǎn)，使物體靜止在空中時(shí)，F(xiàn)2可能等于F1，再“退縮”一點(diǎn)，F(xiàn)2

理想滑輪概念的建立：

利用不同的動(dòng)滑輪、繩子等器材做實(shí)驗(yàn)時(shí)不能得到像理想滑輪那樣較為統(tǒng)一的結(jié)論，但是如何描述滑輪特點(diǎn)從而指導(dǎo)人們生活實(shí)踐，就必須建立較為理想、一致性的特點(diǎn)和概念，所以在不影響問(wèn)題處理及F1和F2相差不大（摩擦可以被忽略）的情況下，認(rèn)為兩邊的力相等，且滿足2F=G+G動(dòng)，當(dāng)物體重G遠(yuǎn)大于動(dòng)滑輪重G動(dòng)時(shí)，G動(dòng)可以被忽略，F(xiàn)=G/2，這就是理想動(dòng)滑輪特點(diǎn).

3 關(guān)于滑輪教學(xué)的思考

對(duì)于滑輪的教學(xué)，要考慮從生活走向物理，讓學(xué)生從生活中的滑輪入手，認(rèn)識(shí)滑輪在生活中如何利用，體現(xiàn)課標(biāo)要求，從生活走向物理，然后明確探究問(wèn)題，計(jì)劃好從哪幾個(gè)問(wèn)題入手研究滑輪特點(diǎn).

研究滑輪特點(diǎn)要盡可能地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材，減小摩擦讓數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，盡可能使滑輪成為理想滑輪，盡量減小動(dòng)滑輪重可以研究繩子自由端拉力F與物體重G之間關(guān)系，如果條件有限無(wú)法減小動(dòng)滑輪重，可以研究拉力F、物體重G和動(dòng)滑輪之間的關(guān)系.

總之，滑輪教學(xué)確實(shí)存在理想情況與實(shí)際不符的情況，引導(dǎo)學(xué)生如何利用實(shí)際數(shù)據(jù)推理概括出理想滑輪特點(diǎn)，使結(jié)論模型化，建立受力分析模型，從而幫助學(xué)生理解理想滑輪特點(diǎn).通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，既要培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力，也要培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)際數(shù)據(jù)建立理論概念和規(guī)律的能力.

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（收稿日期：2021-04-22）