苏科版《探究杠杆的平衡条件》教学设计

摘 要：“探究杠杆的平衡条件实验”是《杠杆》教学的重点内容，是中考的热点实验.如何让学生自我感悟出实验的设计思路，试测中自主选择好实验方案；教与学中，怎样在老师的适度引领下，让学生深入细致的经历探究性实验活动，充分地开展交流和讨论，在探究过程中发展学生探究能力，培养科学态度和科学精神.该“教学设计”得到了有效的体现.

关键词：杠杆；杠杆平衡条件；最大力臂；科学探究

作者简介：张正太，男，江苏省特级教师，高港区物理名师工作室领衔人，高港区兼职物理教研员，研究方向：初中物理科学探究的教学.

1 教材分析及设计思路

1.1 《杠杆》一节教材分析

“简单机械和功”一章中所研究的机械主要含有杠杆、轮轴、滑轮、斜面等，杠杆类简单机械，是生产、生活中常见的简单机械，也是较复杂机械的基本单元.杠杆的应用中所体现出的力与移动的距离的关系，是建构“功”及学习机械效率的基础，因而“杠杆”一节是本章教学的重点.《课程标准（2011年版）》要求：“知道简单机械.通过实验，探究并了解杠杆的平衡条件”.“知道简单机械”属于“了解”水平.而对杠杆平衡条件的要求，则既包含过程，又包含结果.可见“实验：探究杠杆的平衡条件”更是杠杆一节的重中之重.苏科版《杠杆》虽为一节，笔者分为三课时完成.第一课时，主要是引导学生从日常接触的物体中认识杠杆的特点，辨别杠杆，掌握杠杆的五要素，科学构建“力臂”概念，正确画出动、阻力的示意图及对应的力臂.第二课时，探究杠杆的平衡条件.第三课时，运用杠杆的平衡条件解决实际问题.

1.2 “探究杠杆的平衡条件”设计思路

第二课时，在探究杠杆的平衡条件实验中，是让学生紧扣“力臂”，在已有知识与技能的基础上，提出只探究杠杆在两个力作用下的平衡条件，并本着操作便捷、科学合理的做法.由学生感悟并自主设计实验，通过实验得出有代表性的几组数据，讨论与交流，找出四个物理量之间的关系.在探究活动中，认识“杠杆的平衡条件”并进行分类，在教科书“生活·物理·社会”栏目的实例中进一步辨别不同种类杠杆及用途，再通过实验探究，在只改变动力方向的前提下，感悟最省力动力方向的确定，突破“最大动力臂”这一难点.总之，对“杠杆”一节的教学，要充分发挥实验的功效，让学生经历对知识的探究过程，发展学生探究问题和解决问题的能力，培养学生的科学态度和科学精神.《杠杆》教学，整体要体现出“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念.

2 杠杆平衡条件的教学设计

2.1 学习目标

（1）通过实验探究，总结出杠杆的平衡条件；依据杠杆平衡条件，对杠杆进行分类并了解其应用.

（2）运用杠杆平衡条件，并通过实验探究，发现和总结出最大动力臂的作法.

2.2 学习重、难点

重点：探究杠杆平衡的条件实验；

难点：最大力臂的作法.

2.3 课前准备

（1）根据二力平衡知识和上节课对“力臂”的科学建构及认识，完成下列填空：①杠杆在动力、阻力的作用下平衡时，杠杆应处于或状态；②杠杆平衡时，动力的大小与哪些因素有关？.

（2）在探究杠杆的平衡条件时，图1中五幅实验装置图，均处于静止状态.你认为调节到平衡状态时，应选装置测量更为方便而又科学合理（请你在课堂上大胆的阐述其理由）.

2.4 新课教与学

2.4.1 实验：探究杠杆的平衡条件

活动1 交流课前准备题

师生交流课前准备题，归纳总结：

（1）杠杆平衡：在力的作用下杠杆保持静止状态或绕支点匀速转动；杠杆平衡时，影响动力F1大小的因素有： 阻力F2、阻力臂L2、动力臂L1 .

（2）若只探究杠杆在两个力作用下的平衡条件时，上述五幅实验装置图中，选择平衡状态时，应以甲、乙、丁 装置.理由是： 动、阻力为竖直方向与水平杠杆垂直，可从杠杆上直接读出力臂 .

（3）综上，实验设计的总体思路：实验时，杠杆必须水平平衡，动、阻力必须保持竖直方向；杠杆自重不产生转动效果.

活动2 实验探究：杠杆的平衡条件（实验与记录）

实验设计及操作：

（1）安装好杠杆见图2，若不调平，辅助杠杆水平后释放，杠杆自重产生转动效果；为使杠杆横梁在水平位置平衡，应将两端平衡螺母向左调，直至水平静止.

这样做是为了 杠杆水平时，自身重力不产生转动效果.

试一试：若将已调平后的杠杆置于倾斜位置后释放，观察到的现象是 会转动至水平位置 .

（2）调平后，为什么在探究杠杆平衡条件时，要使杠杆水平平衡？ ①便于从杠杆上直接读取力臂；②杠杆自重不产生转动效果 （平时教学中，普遍存在着学生机械式操作，不能真正知晓测量前的调平同时也是为了确保测量时水平，排除杠杆自重对杠杆产生的转动效果.让学生经历上述操作来感悟， 就显得是那么自然而又必要）.

教师：同学们在前面交流与讨论“课前准备”题时，已认定以甲、乙、丁装置为平衡状态，若是从实际可操作的角度，哪一种更好？让我们用事实来说话吧.接下来，请同学们先将弹簧测力计的秤钩朝下在竖直放置时“校零”，并在已调水平的图1杠杆上距支点三等格的B点挂3只钩码；在距支点两等格的A点用弹簧测力计秤钩朝上竖直下拉（图甲），或在A点试挂钩码（图丁），或在支点左侧距支点两等格处用弹簧测力计秤钩朝下竖直上提（图乙），使杠杆水平平衡，记录数据.试一试，结果会怎样？

学生：实验操作与交流.①按“图丁”做法，在试加钩码时，4只钩码少，5只钩码多， 单凭加挂钩码来测动力，此时还真没辙.而使用弹簧测力计在竖直方向上施力，因弹簧测力计的刻度是 連续变化 的，故能方便测出.②对比图甲和图乙的操作，在阻力、阻力臂、动力臂都一样，动力略有差异.用弹簧测力计竖直上拉稍大一点.很显然按图 乙的弹簧测力计操作是科学合理的.endprint

（教师引导，学生操作比较，自主选定实验方案.顺便提及一下，教科书中是选用“图甲”的操作，并在教师教学参考书中给出了科学的“校正”办法，校正后的实验操作，确实科学、便捷，但就其“差异”的原因，老师在学生面前很难讲清楚.建议：在先测出该弹簧测力计自重后，仍按常规使用.即秤环朝上用细线系于杠杆上，手指施力于秤钩竖直下拉，所测动力应为“测力计示数加上测力计自重”.这也弥补了“图乙”的操作中所测每组数据， 都为动、阻都在支点的同一侧这一不足.）

（3）学生在刚得出的这一组实验数据的基础之上再按：①保持钩码和弹簧测力计的位置不变，改变钩码的数量；②保持钩码的数量和位置不变，改变弹簧测力计的位置；③保持弹簧测力计的位置和钩码的数量不变，改变钩码的位置.将所测数据记入课本表格中（采用控制变量法，体现教科书意图.老师提醒学生：所得到的数据，既有省力也要有费力和相等这三种情，确保有一定的代表性）.

（4）学生分析表格中的数据，充分交流和讨论.

①杠杆的平衡条件： 动力×动力臂=阻力×阻力臂 ；用字母表示F1L1=F2L2.

②小甜在分析表格中的数据时，还得出这样的结论：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.为确认其真伪，你认为实验时最为简捷有效的做法是 将弹簧测力计由竖直拉改为斜拉 .（ 在充分交流后呈现出上述两种观点，再让学生通过实验给出定论）

（5）师生交流与总结：情形之一：小明实验时，使杠杆在图3中位置平衡.①此时杠杆是处于平衡状态吗？ 平衡状态 ；②你认为有何不妥之处？ 阻力臂不能直接读出 ； 杠杆自重产生转动效果 （后空的作答常会遗漏，其因是学生实验时，没有通过实验及时揭示这一问题）.

情形之二：小华实验时，使杠杆在图4位置平衡.①你认为F·OC ﹥ G·OA，为什么？ L1﹤OC ；②在探究杠杆的平衡条件实验测动力时，弹簧测力计要保持竖直方向.

情形之三：小祥在已调水平的杠杆支架图2装置上的A、B点处各加挂3、2只钩码，杠杆恰好水平.他便得出这样的结论：2G0+3L0=3G0+2L0.①你认为他的结论可靠吗？请你指出他的错误： 一组数据所得结论可能存在偶然性；不同种物理量不能相加 .

（6）为什么在探究杠杆平衡条件时，要测量记录多组实验数据？ 便于发现和总结出普遍规律 .

（让学生积极参与实验设计，充分体验探究的过程，提出各种想法和观点并进行充分的交流和讨论）

2.4.2 杠杆分类

活动3 杠杆分类

（1）分析表格“活动2”中的相关实验数据，请你回答：①省力杠杆：L1﹥L2，实例铡刀. ②费力杠杆：L1﹤L2，实例镊子.③天平的实质是等臂杠杆.

（2）判断教科书p5页图11-6中常见器具中，属于省力的杠杆是；费力的杠杆是；等臂杠杆是. 它们在使用时各有何特点？

（3）剪刀是生活中常见的工具，它也是一种杠杆.你是否注意到，从事不同行业的人所用的剪刀各有特点？

2.4.3 最大动力臂

活动4 最大动力臂的作法探究

（1）做一做：①在上述图3的基础上，只改变动力的方向并保持杠杆一直在该位置平衡，观察动力F大小的变化情况是：与OA垂直方向动力F；向两侧方向转动时，动力；②试画出动力向两侧方向转动时的动力臂，其对力臂的大小进行比较.

（2）结论：阻力、阻力臂的大小一定及动力作用点一定时，以支点到动力作用点的连线段长为动力臂，则为动力臂，此时动力F.

（3）作图分析：图5-a 中，在A点施力，沿什么方向，最省力？ 作出动力示意图（边作画图，边总结作图步骤）.

（4）作图分析：图5-b中，在杠杆上哪点施力，沿什么方向施力，最省力？ （边作画图，边总结作图步骤）.

（5）练一练：请在图5-c中画出羊角锤起钉时，所用的最小动力F的力的示意图.（保留作图痕迹）

2.5 课堂检测题

（1）如图6在探究杠杆平衡条件的实验中，小明发杠杆左低右高，此时应将两端的平衡向旋，使杠杆水平静止；实验时，总要保持杠杆在水平位置静止，且测力计总保持上拉，这样做的目的是.

（2）如图7-a是在已调平的杠杆上加挂的钩码，此时平衡吗？；若在两侧的物体下面分别加挂等质的物体（见图7-b），此时杠杆端会上翘.

（3）如图8a～f下列属于费力杠杆的有.

（4）如图9轻质小环沿着光滑圆弧轨道从M运动到N的过程中，细线AM上的拉力大小如何变化？

（5）（提高题）如图10木箱对杠杆的压力F2=100N，要用最小的力撬动木箱.

①作出动力示意图；

②求最小动力F1

3 教学反思

本节课“实验探究”贯穿始终，学生的主体意识得到充分体观，创新意识与实践得到加强.实验设计的总体思路从学生已有的知识、技能入手，向课前延伸，以“课前准备题”形式，让学生感悟，同时也为课堂上自主实验探究争取了时间；步骤的实施，细节的体现，难点的突破，都是通过实验的尝试让学生感知其所以然；教学情境的精心设计，教师的适度引导，让学生充分体验实验探究过程，充分交流和讨论，自主获得知识，提升能力，培养其核心素养；注重知识的运用和强化训练，安排“当堂检测”，提高了课堂教学的实效性.当然，正因为放手探究，总感到课堂教学的时间紧.故笔者以为可将“杆的分类”及应用调整到第三课时.这就能保证课堂教与学， 游刃有余.

参考文献：

[1]廖伯琴.义务教育物理课程标准（2011年版）解讀[M].高等教育出版社，2012.05.

[2]刘炳昇，李蓉.苏科版物理九年级上册（教师教学用书）[M].江苏凤凰科学技术出版社，2016.08.endprint