“探究杠杆的平衡条件”实验核心解读

摘要：本文解读“探究杠杆的平衡条件”实验与中考相关的所有问题.探究杠杆平衡条件这一实验是初中物理的重点实验之一，也是难点实验之一，往往在教学过程中，由于学生存在知识与经验的不足，常存在这样或那样的疑惑，对某个问题总不清晰或存在某些误区，下面就本实验的核心问题进行解读，以供大家在教学中参考.
关键词：探究；杠杆平衡；实验
作者简介：张秀娟，女，安徽省庐江县，中学一级教师，研究方向初中物理实验教学.
问题一、探究杠杆平衡条件的实验目的是什么？
【解读】实验目的就是该实验所解决的问题，探究杠杆平衡条件的课题就是实验要解决的问题，所以本实验的目的是探究杠杆的平衡条件或者是探究杠杆原理.
问题二、探究杠杆平衡条件这个实验，需要哪些器材？
【解读】一般情况下需要杠杆、支架、刻度尺、细线、质量相同的钩码若干.有时将杠杆与直尺组合成杠杆平衡仪，且杠杆平衡仪上有专门挂钩码的铁丝环或塑料滑环，这时可不用细线，如图1所示的杠杆.如果杠杆上没有铁丝环或塑料滑环，则要用细线制作滑环，如图2所示的杠杆.
问题三、使用杠杆平衡仪，为什么还用刻度尺呢？
【解读】杠杆平衡仪上每大格并不都是1cm，有的是2cm或3cm或4cm或5cm，如果杠杆上标有5、10、15、20的字样，表示每大格为5cm，可能每大格还分成5至10个小格，实验时可不用刻度尺，如果杠杆上只标注分格线，没有数字，在直接读取力臂时，每格是多少厘米不能确定，操作时要求先用刻度尺测出每格是多少厘米，最后计算力臂.如果按格数来读取力臂，实际上是读取力臂是多少格，虽然不影响探究的结论，但实际上忽略了力臂的单位，如果在实验中，表格中给出力臂的单位，这时就不能格数来表示.
问题四、杠杆在什么状态才平衡？
【解读】物体处于平衡状态的条件是物体受到平衡力作用或不受力，此时，物体处于静止或匀速直线运动状态，该物体处于平衡态.物体受力而平衡，这些力的作用线是交于一点的，杠杆在几个力的作用下，这几个力的作用线并不相交于一点；在杠杆受两个力作用时，当使杠杆向相反方向转动的力与力臂的乘积相等，这时杠杆平衡，杠杆平衡指杠杆处于静止或匀速转动的状态.
问题五、为什么在实验前与实验过程中都让杠杆在水平位置平衡？
【解读】实验前使杠杆在水平位置平衡的作用是：使杠杆的重心落在支点上（重力的作用线经过支点），这样杠杆自重的力臂等于0，如图3所示，这时杠杆重力对杠杆的转动不产生影响，这样就避免杠杆自重对实验的影响.而实验过程中使杠杆在水平位置平衡的目的是使动力与阻力的力臂正好落在杠杆上，如图4所示，这样便于测量力臂.
问题六、实验前与实验过程中分别是怎样使杠杆平衡的呢？具体上有何技巧？
【解读】实验前是通过调节平衡螺母来实现的；技巧是杠杆的哪侧高，可将任一侧的螺母向该侧调.如图5所示，应该将左侧或右侧的平衡螺母向左调.实验过程中是通过增减钩碼个数（或改变拉力）或移动钩码的位置来实现的；技巧是哪侧高，可向该侧增加钩码（或在另一侧减少钩码），也可将钩码向高的一侧移动.如图6所示，可以在杠杆左侧增加钩码，也可在杠杆的右侧减少钩码个数，也可以将左侧钩码向左移动，也可将右侧钩码向左移动.
问题七、只测一组数据得出“动力+动力臂=阻力+阻力臂”，这一结论为什么是错误的呢？如果得出：“动力×动力臂=阻力×阻力臂”这一结论算正确吗？
【解读】前者是错误的，因为不同的物理量不能加减；后者结论是正确的，但这样就处理数据，得出结论是不妥的.因为一次实验，结论具有偶然性，结论往往不具有普遍性.
问题八、为什么要多次测量而且是在改变动力或阻力、改变力臂的不同情况下来进行呢？
【解读】物理学上在测量某个固定物理量时，多次测量目的是取平均值，减小误差；在找规律的实验中，一次测量具有偶然性，结论不可靠，只有进行多次实验与测量，才能对数据归纳与总结，这样结论才具有普遍性.同样，如果只改变动力或阻力，也能得出结论，但它应该加上“力臂不变时”这个条件；其实，力臂变化时，杠杆的平衡条件也是成立的，不多次改变力或力臂，虽然能得出结论，但它不代表任何情况下都能成立，实验不符合普遍情况下总结物理规律的要求.
问题九、“动力×支点到动力作用点的距离=阻力×支点到阻力作用点的距离”这一结论是否正确呢？
【解读】这个结论是在动力与阻力都在竖直情况下成立，而在动力或阻力不竖直时则不成立.因为只在在两个力都竖直时，力臂与支点到力的作用点间距离成正比，如果力不竖直，则这一比例关系不存在.
问题十、实验中动力与阻力都是竖直的，这算不算实验结论还具有特殊性呢？
【解读】算，按道理应该探究动力、阻力在各种方向时的结论，考虑到不竖直的动力或阻力，它有力臂不落在杠杆上，给测量力臂带来一定的难度，为了降低难度，在初中探究中不作“必须”的要求.
问题十一、如果要进一步探究动力与阻力在任意方向杠杆平衡条件都成立，应该怎么做？
【解读】这就要利用弹簧测力计提供拉力，并测出力的大小，同时利用三角板与直尺来测量力臂.往往要两人合作或在增加一块竖直的纸板，用铅笔描出力的方向，用三角板在纸板上画出力臂再测量.
问题十二、为什么在杠杆两边不同的位置挂适当的钩码，杠杆也能平衡呢？为什么实验时不这样探究呢？
【解读】实际上应该按照如图7所示的方式来探究.要知道，力与力臂的乘积是有方向的，这个方向就是杠杆转动的方向.使杠杆转动方向相同的“力与力臂的乘积”就像物体在某点受到相同方向的力一样，可以进行相加.广义上杠杆的平衡条件应该是使杠杆转动方向相反的“力与力臂乘积的代数和相等”，而初中不作要求，如果这样探究，就很难归纳总结结论.
问题十三、实验表格上“力×力臂”的单位用N·m，也有的表格上“力×力臂”的单位用N·cm，为什么都可以？
【解读】前者单位为国际单位，后者单位为常用单位，其实，杠杆平衡条件两边的单位是相同的，可以削除，两种单位都不影响结论的得出，但两边单位要一致.
问题十四、用测力计代替钩码，对实验来说，有何优点与缺点？
【解读】用测力计代替钩码有两种方式，如图8与如图9所示，优点是钩码位置一旦确实，测力计拉力的作用点也确定，很容易使杠杆在水平位置处于平衡，且容易读出拉力的大小.缺点是很难保持测力计呈竖直状态，这样力臂与支点到力的作用点间的距离不重合，拉力的力臂总是偏小，从而拉力总是偏大.
问题十五、若支点不在杠杆的中点时，实验时为什么得不出杠杆的平衡条件？
【解读】如图10所示，在这种情况下，杠杆重心不在支点上，杠杆自身的重力对实验产生影响，相当于杠杆在三个力作用下平衡，而实验时往往没有把杠杆重力产生的效果加入实验数据的分析之列，这时测出的拉力偏大，最后结论与杠杆平衡条件不相符.
参考文献：
[1] 黄玉华新编初中物理实验手册[M] 广西民族出版社， 2006（1）.
[2] 景泽强初中物理实验教学指导书[M] 教育科学出版社， 2015.
[3] 刘炳升，魏日升初中物理教师实验技能训练（初中物理教学法？下册）[M] 高等教育出版社，1989（3）.