杠杆平衡条件探究仪

权　亮，裴会明，权鹤丹

(1.乔门九年制学校，甘肃 陇西 748000；2.文峰初级中学,甘肃 陇西 748000；3.陇西县第一中学,甘肃 陇西 748100)



基础教育

杠杆平衡条件探究仪

权亮1，裴会明2，权鹤丹3

(1.乔门九年制学校，甘肃 陇西 748000；2.文峰初级中学,甘肃 陇西 748000；3.陇西县第一中学,甘肃 陇西 748100)

杠杆平衡条件探究仪采用了互变杠杆，既可以探究直杠杆的平衡条件，又可以探究曲杠杆的平衡条件，较易得出较为普遍的结论. 该仪器设计了限位器，保证了仪器的稳定性；设计平衡指针和平衡角度盘，直观地显示杠杆平衡时的偏转角度；同时通过力臂标尺可准确地测出动力臂和阻力臂.

杠杆；平衡；力臂

杠杆平衡条件的探究，是中学物理力学研究的重要内容，实验的成败直接关系到对相关规律和概念的正确理解. 现有的实验器材如图1所示.

图1　原杠杆平衡条件实验装置

原实验器材存在以下几点不足：

1)仅能研究直杠杆在水平位置的平衡条件，得出的结论不具有普遍性；

2)对学生理解杠杆平衡会有不同程度的影响，部分学生认为杠杆在水平位置静止就是平衡，在其他位置静止就不平衡；

3)由于力臂刻度在杠杆上，对于学生理解力臂会产生偏差，有部分学生总认为力臂就在杠杆上，还会使实验的验证性有余而探究性不足，因为学生在实验前的预习，已经知道了杠杆平衡条件，在实验移动钩码时，会不自觉地把钩码移动到杠杆上的相应刻度位置；

4)原实验器材没有限转器，实验的稳定性差.

为弥补以上不足，笔者设计了杠杆平衡条件探究仪.

1　制作材料

1)底座： 用边长30cm、厚2cm的硬质(质地坚硬，不易变形)正方形木板做底座，4角带有4个圆形橡胶底脚.

2)竖直支架：平衡角度盘如图2所示，用55cm×4cm×2cm的硬质木板，顶端呈半径为5cm的直角扇面形，扇面正中刻上零刻线，并标上0°角，在零刻线两边分别以5°为分度值，依次刻上刻线，并标上20°和40°. 在圆心处垂直板面钻直径约0.3cm的圆孔，在圆孔里紧密穿过并固定1根长8cm、直径0.3cm的光滑细钢棒，钢棒在板后面露出长约1.5cm,露出部分要有螺纹和螺帽.

3)力臂标尺和互变杠杆：取50cm×3cm×2cm的硬质木条2根，其中1根木条的表面刻上分度值为0.5cm的刻线，正中刻线处标“0”，两边依次标上5,10,15,20，单位是cm. 另一根用来制作互变杠杆.

4)限转器：用2个长宽分别为12cm和1cm薄硬铁片，在其一端适当位置钻一小孔(直径略大于0.3cm)，在离小孔约5.5cm的部位折成直角，如图3所示.

5)附件：取长约4cm的红色钢针1枚，作为平衡指针，轻质长方形塑料框(长约4cm、宽略大于1cm)2个，长30mm的细棉线(带线套)2根，钩码1盒.

2　制作方法

1) “士”形支架的制作. 将正方形底座放在水平台上，在其中心位置固定竖直支架，在竖直支架上距离底座25cm处，水平对称固定平衡标尺,再将2个限转器的小孔套在竖直支架后带有螺纹的钢棒里，使其弯折部分朝前，然后用螺帽旋紧，这样就做成了一个完整的“士”字形支架，如图4所示.

2)互变杠杆的制作和转换方法. 将50cm×3cm×1cm的硬质木尺用小锯子分别截成20cm和30cm的2段，并在2段木条的切口处正中沿尺面方向纵切1.5cm，再垂直尺面横切深0.5cm，去掉3cm×1.5cm×0.5cm长方体，把剩余的等大长方体切成直径为3cm的凸半圆，然后正对凸半圆剜出一个直径为3cm深为0.5cm凹半圆，这样凸半圆和凹半圆正好就组成了1个圆，在圆心处钻个小孔(螺钉刚好能旋进去为宜)，将两尺凸凹半圆相对接卡入，再用长约1cm的螺钉和配套螺母将两木尺旋紧连接起来，将螺母和螺钉帽镶嵌进木尺，深度刚好使螺母面和螺钉帽跟尺面相平为宜. 用螺丝刀稍稍拧松螺钉，使长短两尺在一条直线上或有一定的夹角(不小于150°为最佳)，然后拧紧螺钉固定，这样就实现了直杠杆和曲杠杆相互转换. 再在木尺正中偏上位置垂直尺面打一直径约3mm小圆孔(带上金属箍)，两端装平衡螺母，在杠杆的顶端粘贴宽略小于10mm的软橡胶条(如自行车内胎)，在杠杆的小孔正上方的橡胶面上固定平衡指针(指针跟杠杆后平面相齐为宜). 转换后的直杠杆和曲杠杆的如图5所示.

(a)直杠杆

(b)曲杠杆图5　直杠杆和曲杠杆的正面图

3　实验操作步骤及方法

1)把“士”支架底座放在水平台上，将杠杆调成直杠杆，再将杠杆小孔套在支架的细钢棒上，前后移动杠杆，使挂钩码棉线刚好与平衡标尺面相接触. 在杠杆两端套上带有棉线的硬塑料套.

2)调节平衡螺母，使平衡指针指在0°刻线上，此时杠杆在水平位置平衡. 再稍稍旋松竖直支架后面的螺帽，将2个限转片分别向两边旋转，以离杠杆上表面1cm左右的距离为宜，然后旋进螺帽将其固定.

3)在杠杆的两棉线套上，挂上适当数量的钩码，左手抓住左边的塑料套，右手稍稍拧松旋钮，收拢两限转片. 再分别移动两边的钩码，观察指针，当指针再次指到0°时，放开双手，在平衡标尺上读出动力臂和阻力臂的值，并连同钩码数目记录在表格中.

4)取下钩码，调节平衡螺母，使指针指示在另一刻线处(如5°刻线)，此时杠杆是倾斜静止(平衡)的，然后重复上述操作，使指针再次指在5°刻线处，再读出力臂值，连同钩码数记录在表格中. 该方法可探究直杠杆在任一位置静止(平衡)的平衡条件. 实验示意图如图6～7所示.

图6　直杠杆水平平衡

图7　直杠杆倾斜平衡

5)取下钩码，将直杠杆调成曲杠杆，然后重复上述操作，并记录数据. 可探究曲杠杆在任意位置静止(平衡)的平衡条件. 实验示意图如图8～9所示.

图8　曲杠杆水平平衡

图9　曲杠杆倾斜平衡

6)分析处理数据，在误差允许的范围内，可得出普遍意义下的平衡条件：动力×动力臂=阻力×阻力臂，即：F1L1=F2L2.

4　杠杆平衡条件探究仪的优点

1)互变曲直杠杆的设计使用，能够较方便地依次探究直杠杆和曲杠杆的平衡条件，得出具有普遍性的结论.

2)平衡标尺的设计应用，使得杠杆和力臂分离，既能纠正部分学生总认为力臂都在杠杆上的错误认识，还能准确地测量力臂.

3)平衡指针和平衡角度盘的设计使用，不仅能确切地指示杠杆的静止(平衡)位置，还能帮助学生更好地理解杠杆平衡，同时还能吸引学生的注意力，让实验者无暇首先关注力臂的大小，使得实验成为真正意义上的探究实验.

4)杠杆顶部粘贴软橡胶，在杠杆倾斜时起到了防滑作用，使得实验能够顺利进行.

5)限转片的设计运用，使得实验更加安全、流畅和稳定.

6)平衡螺母的作用变为调节杠杆在不同位置静止(平衡).

[1]姜兰，孙伟.平面镜成像实验和引入力臂实验的改进[J]. 物理实验，2013,33(6):14-15.

[2]闫迎利,梁建均. 直接测量任意方向力的力臂[J]. 物理实验，2003, 23(8):31-32,35.

[3]俞晓明,陈辉. 固体密度的测量[J]. 物理实验，2012, 22(9):33-35.

[责任编辑：尹冬梅]

Deviceofexploringthebalanceconditionoflever

QUANLiang1,PEIHui-ming2,QUANHe-dan3

(1.Nine-yearSchoolofQiaomen，Longxi748000，China;2.WenfengJuniorMiddleSchool，Longxi748000，China;3.No.1MiddleSchoolofLongxi,Longxi748000，China)

Aflexiblelevelwasdesigned,andthebalanceconditionswereexplored.Limiterwasusedtoensurethestabilityofthedevice.Todirectlydisplaythedeflectionanglewhenthelevelbalanced,apointerandanangleplateweremountedonthedevice.Rulerofarmofforcewasusedtomeasureaccuratelythepowerarmandtheresistingarm.

lever;balance;armofforce

2016-03-17

权亮(1974-)，男，甘肃陇西人，乔门九年制学校一级教师，从事中学物理教学工作.

G633.7

A

1005-4642(2016)08-0039-03