有效运用生活物品提升实验教学效果

    施加林 邢海根

    

    

    

    [摘要]物理来源于生活，服务于社会。初中物理教学中，可以有效运用生活物品，创造性地开展物理教学，让学生经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的探索精神，提高学生的实践能力。创新性的实验教学，可打破原来实验教学的束缚，提升学生的创新素养。

    [关键词]杠杆的平衡条件;生活化实验;创新

    [中图分类号]G633.7[文献标识码]A [文章编号]1674-6058（2020）08-0030-04

    现行教材的编写，实质上体现了编者的一种教学思路，有些内容随着时代的发展，教学改革的深入，应该重组甚至是重塑。自制教具，进行实验创新，是教学创新不可缺少的要素。下面以沪粤版八年级第六章第五节“探究杠杆的平衡条件”的教学为例，谈如何对教材进行重塑，开展创新教学。

    一、引入新课时给学生带来“震撼”“新奇”感

    教材是通过“探究跷跷板中的道理”引入的，而该游戏只能回顾与想象，不能在课堂上进行，缺少现实感与动态感，难以达到最佳效果。为了使学生能现场实践，在准备教具时，事先制作出2米长的“超级杠杆”，并制作“超级铁架台”，在“超级杠杆”上系一长竹竿，使力臂关系在5倍以上，通过表演“大力士”用一只手指将一位同学提起来，给学生带来“震撼感”“神奇感”。师生共同参与，让学生产生探究的兴趣，使学生发现学习物理的价值，落实“情感、态度与价值观”维度的教学目标。

    [教学片段1]

    师：同学们好！最近有网络传闻，一个大力士，用一只手指将一个成人提了起来，这是真的吗？今天老师也来给大家表演一下。教师请几位同学走到支好的长杆下方，教师在长杆的一端挂上一个特制的“吊凳”，请一位同学坐在“吊凳”上，教师在竹竿的另一侧用一只手指向下拉竹竿，将坐在“吊凳”上的同学提了起来，如图1所示。

    师：其实老师不是大力士，只不过是巧妙地利用了这根杆，大家想知道其中的奥秘吗？今天我们一起来探究这根杆的相关规律。

    二、在探究中得出杠杆概念与五要素

    教材上是通过对跷跷板进行简化，建立杠杆模型，给出杠杆的概念。而用“超级杠杆”，可进行直观演示，加以讲解，使物体与模型统一，给出杠杆的概念，从形象思維过渡到抽象思维，使学生更容易理解与接受。关于杠杆五要素的教学，教材上是在“活动一：探究杠杆平衡条件”中做补充介绍的，并没有强调杠杆为什么存在五个要素。而有了“超级杠杆”，就可以采用边演示边探究的方式，层层递进，从而使学生理解影响杠杆平衡的要素与动力、阻力、动力臂、阻力臂有关。同时用实验排除了“支点到力的作用点的距离”不是影响杠杆平衡的要素。教师用测力计提起同学，当杠杆平衡时，请一位学生读出测力计的示数。教师减小拉力（动力）时，请同学们观察杠杆能否平衡，得出动力大小是影响杠杆平衡的一个因素;改变同学的重力（阻力）大小，请同学们观察在同样的动力作用下，杠杆能否平衡，得出阻力大小影响杠杆的平衡;改变同学的位置，用同样的动力，请同学们观察杠杆是否能平衡，学生们发现杠杆不能平衡，问是什么量变化了，从而讲解支点的概念。学生一般先得出“转轴到力的作用点的距离”影响了杠杆的平衡，教师再用同样大小的力斜拉，学生发现杠杆不再平衡，并问：“支点到力的作用点的距离”没有变化，是什么距离变化了呢？得出支点到力的作用线的距离变化了，从而引出力臂的概念，并将力臂的概念展开为动力臂与阻力臂。再假设改变转轴的位置，指出两力臂都在变化，从而得出支点位置也是影响杠杆平衡的因素。从而归纳影响杠杆平衡的五个要素。

    [教学片段2]

    师：刚刚，老师在一根长杆的一端用力拉杆，杆绕着固定点（转轴）转动，该同学通过“吊凳”也拉杆，实质上是阻碍杆的转动。在物理学上，把在力的作用下绕着固定点转动的硬棒，叫杠杆。当杠杆静止或匀速转动时，物理学上叫杠杆平衡。

    师：下面探究影响杠杆平衡的因素有哪些。

    师：用测力计竖直向下拉杠杆，当坐在“吊凳”上的同学静止在水平位置时，请台上同学观察测力计的示数（10N），并报给台下同学听。教师减小拉力，请同学们观察该杠杆能否静止（平衡）。

    台上同学：测力计的示数减小，“吊凳”上的同学突然下沉。

    师：我的拉力是使杠杆转动的力，叫动力，这说明影响杠杆的平衡与什么因素有关呢？

    生：与动力大小有关。

    师：给坐在“吊凳”上的同学加一个书包。

    师：我再用10N竖直向下的拉力拉杆，请同学们观察能否将该同学拉起来。

    台上同学：拉不起该同学。

    师：这说明是什么因素影响了杠杆的平衡呢？

    生：是阻力的大小。

    师：将测力计的位置轻轻地向远离转轴的方向移动，再用10N力拉，请问杠杆能否在水平位置静止？

    台上同学：不能。

    师：这说明是什么因素影响了杠杆的平衡呢？

    生：是转轴到测力计的距离。

    师：在物理上把这个转轴叫支点，转轴到测力计的距离描述为：支点到力的作用点的距离。

    师：保持支点到力的作用点的距离不变，改变拉力的方向，请同学们观察杠杆能否在10N拉力作用下平衡。

    师：改变拉力方向。

    台上同学：拉力必须变大才能平衡。

    师：这说明影响杠杆平衡的因素不是支点到力的作用点的距离。斜拉时，支点到什么的距离在变化呢？

    生：是支点到力的（作用线）的距离在变化。

    师：支点到力的作用线的距离，物理学上叫力臂。当然，力臂有两个，支点到动力作用线的距离叫动力臂（L1），支点到阻力作用线的距离叫阻力臂（L2）。根据以上实验现象，请同学们总结一下影响杠杆平衡的因素有哪些。

    生：动力、阻力、动力臂、阻力臂。

    师：如果改变转轴的位置，动力臂与阻力臂不变吗？

    生：变化。

    师：这说明还有什么因素起作用呢？

    生：支点。

    师生小结：影响杠杆平衡的五个要素是：支点（O）、动力（F1）、阻力（F2）、动力臂（L1）、阻力臂（L2）。

    三、探究杠杆的平衡条件

    教材上利用直接指导的方式让学生探究，没有分析为什么要这样做，缺少理由。根据对杠杆五要素的探究可知，当支点确定后，杠杆的平衡只与四个要素有关。这时要引导学生猜想四个量：F1、L1、F2、L2之间满足什么关系时杠杆才能平衡，学生可能根据共点力的平衡“几个力的代数和相等”来进行类比猜想，根据对杠杆五要素的探究，学生可能发现当测力计远离支点时，测力计的示数变小，可能猜想力与力臂的乘积相等或两力之比与两力臂的比值相等或者是力的平方与力臂的乘积相等……教师帮助学生排除不合理的猜想，保留合理的猜想，再引导学生设计实验方案，进行实验，经过多次实验与数据记录，归纳总结，得出结论。在实验技巧方面，教师引导，让学生思考为什么实验前要调节平衡螺母将杠杆调到水平位置平衡，实验时为什么也要通过改变动力或阻力的大小、动力臂或阻力臂的大小，使杠杆仍然在水平位置平衡。通过适当的引导，学生进行实验操作并记录测量数据，对数据进行分析，得出结论。

    [教学片段3]

    师：影响杠杆平衡的五个要素，当杠杆的支点固定时，只有四个要素影响杠杆的平衡，这四个要素在什么情况下杠杆才能平衡呢？请同学们猜想。

    生：开始讨论，教师请小组长汇报，归纳后有两个：F1+L1=F2+L2、F1×L1=F2×L2。

    师：力的单位是什么？力臂的单位又是什么呢？两者能相加吗？

    生：不同的单位不能相加。

    师：不同的单位相加，这个猜想本身就是错误的，不必用实验验证了，我们只要验证第二个猜想就行了，实验时要得到多组数据，归纳出的结论才具有普遍性，这就要改变F1、L1、F2、L2的大小，进行多次实验与测量，怎样改变呢？

    生：在杠杆两边都挂“吊凳”，换不同体重的同学坐在“吊凳”上，同时改变“吊凳”到转轴的距离。

    师：请两位同学，分别手持“吊凳”站到体重计上，报出体重计的示数，算出总重力大小。

    师：当两位同学坐在“吊凳”上时，将其中一边当作动力F1，另一边当作阻力F2，它们的大小就等于每边总重力大小，请同学们记在纸上。老师将长竹竿取下，放在一角，露出“超级杠杆”，发现杠杆两边高度不相同，老师用手指着低的一侧说：杠杆的重心偏向低的一侧，现在老师模仿调节天平的方法，将螺母向高的一侧调，同学们观察它能否在水平位置平衡。（教师调节平衡螺母）。

    生：平衡了。

    师：将两“吊凳”挂在杠杆两边上，请两位同学依次入座，教师调节两“吊凳”的位置，学生发现杠杆在某个倾斜位置静止了。教师强调：力臂是支点到力的作用线的距离，并提问：怎样测量力臂？

    生：用刻度尺测。

    师：怎样保证刻度尺测得的线段长就是力臂呢？力臂垂直于力的作用线。

    生：加一块三角板。

    师：这样是可以的。教师又轻轻转动杠杆且将“吊凳”移动一下，杠杆又在水平位置静止了，如图2所示。这时力臂与“支点到力的作用点的距离”有什么关系呢？还需要三角板吗？杠杆上本身有刻度尺，还要刻度尺吗？

    生：不需要。

    师：想一想，每次实验时都将杠杆调到水平位置有何优点呢？

    生：可以从杠杆上直接读出力臂的大小。

    师：为了便于测量力臂，实验时将杠杆调到水平位置平衡。下面请台上同学开始实验，同时台下同学可拿出桌面上的杠杆平衡仪，通过在杠杆两边挂钩码来进行实验。

    生：实验。

    师：巡视指导，请各小组组长汇报数据，并分析數据，得出结论。再请其他小组的同学评价该组测量数据、分析过程与实验结论是否存在瑕疵。

    四、对杠杆平衡条件的再探究

    教材上的实验是为了便于测力臂，使杠杆在水平位置平衡，且动力与阻力都与杠杆垂直，这时力臂正好与“支点到力的作用点的距离”重合，在学生归纳结论时，用填空的形式：“动力× =阻力× ”，要求学生填写结论，实际上是为了防止学生得出：“动力乘以支点到动力作用点的距离等于阻力乘以支点到阻力作用点的距离”这一结论。这种限制学生思维的方法是不可取的，所以要对探究进行再探究，排除特殊情况下的结论，使结论具有普遍性。引导学生设计一种力与杠杆不垂直时的测量方案，再进行实验。由于力与杠杆不垂直，测量力臂一般有较大的偏差，教学过程中教师要引导学生分析数据是错误还是误差，提高学生分析数据的能力。

    [教学片段4]

    师：同学们刚做的实验，动力与阻力都与杠杆垂直，这样力臂落在杠杆上，优点是便于测量力臂，但这样做实验，也有缺点：力臂与支点到力的作用点的线段正好重合，也能得出这样的结论：“动力乘以支点到动力作用点的距离等于阻力乘以支点到阻力作用点的距离。”现在，如何设计实验，验证后一结论是错误的呢？

    生：用弹簧测力计斜拉杠杆来提供动力，用直尺、三角板配合来测力臂。

    师：提供一个盛有少量水的塑料桶，一个量程较大的测力计，直尺与三角板，请两位同学利用“超级杠杆”进行实验，如图3所示。同时请其他同学利用杠杆平衡仪及钩码、弹簧测力计、直尺、三角板进行分组实验。

    生：动手实验。

    师：巡视指导，再请各小组汇报所测得的数据，再请其他小组同学计算：“动力乘以支点到动力作用点的距离、阻力乘以支点到阻力作用点的距离;F1×L1、F2×L2的大小，并向全班汇报。

    生：汇报所测数据。

    师：这些数据相等吗？

    生：动力乘以支点到动力作用点的距离不等于阻力乘以支点到阻力作用点的距离。几乎所有小组的数据F1×L1与F2×L2都不相等。

    师：将各组数据的乘积作比较，差距较大的是哪个呢？

    生：动力乘以支点到动力作用点的距离与阻力乘以支点到阻力作用点的距离。

    师：这些数据偏差有何特点呢？

    生：“动力乘以支点到动力作用点的距离”总是大些。

    师：如果是误差引起的，不会向一边倒，因为误差总是时大时小的。你们再分析F1×L1与F2×L2的大小，发现有何特点呢？

    生：有点偏差，有的F1×L1大，有的F2×L2大。

    师：这正是误差的特点，请各小组再分析，你们测量时可能是什么原因引起的误差。

    生：展开讨论，分析误差的由来。

    师：请同学们汇报各小组误差的由来以及是如何分析的，师生共同评价。

    [教学片段5]

    师：我们已经探究出杠杆的平衡条件。同学们可知道杠杆有什么作用呢？

    生：省力。

    师：仅能省力吗？请用图3中的器材，让测力计竖直向下拉、斜向下拉并减小拉力与杠杆的夹角，比较FG时，拉力移動的距离与重物移动距离的关系，通过比较，看有何发现？

    生：（实验后汇报）省力时费距离;当动力等于阻力时，既不省距离也不费距离;当动力大于阻力时，省距离。

    师：杠杆的作用可归纳如下：省力或省距离或给我们带来方便。

    五、新课小结与作业的创新

    小结应由学生总结，说出他们的收获，如知道了什么是杠杆、什么叫杠杆平衡、影响杠杆平衡的五个要素是什么、怎样探究杠杆的平衡条件、杠杆的平衡条件是什么等。但学生肯定还存在一些疑惑，如怎样画力臂？杠杆一定能省力吗？等等。教师可告诉学生这些问题是下节课研究的内容。作业要与课堂教学保持一致，不必布置计算类习题，可以模仿上课用的“超级杠杆”进行类似的制作，并且采用适当方式进行反馈。

    [教学片段6]

    师：同学们通过本节课的学习，你们有什么收获？存在哪些疑惑？有什么新发现？有什么值得再探究？

    生：举手汇报。

    师：请同学们课后思考如何设计一种简单的机械，实现“四两拨千斤”，我们将适时开展作品展示活动，并进行评奖。

    六、结束语

    把物理实验与探究还本归真，提倡“瓶瓶罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”，培养学生的创新能力与实践能力，把想与做结合起来，把物理与生活结合起来，把理论与实践结合起来，把实验室器材与生活中的物品结合起来，创新实验教学，回归物理实验本源，培养学生解决实际问题的能力。