知其然，知其所以然——以《探究二力平衡条件》实验教学为例

李培如

（中山市东凤镇第二中学，广东 中山）

《探究二力平衡条件》实验是初中物理中一个重要的探究性实验。在各种版本的教材中，处理该实验的方案各不相同，有些教材使用卡片、木块、小车为研究对象；对研究物体施力有些是采用悬空的方式利用弹簧测力计拉，有些是利用钩码来施力；有些教材利用旋转的方式来改变力的作用是否在同一条直线上；一些教材将物体剪成两部分来研究是否同一个物体。每种教材都是列举实验步骤，学生按部就班，只要完成所列举的实验步骤就能得到实验结论，探究也就完成了。学生对于实验为什么选择这个研究对象，为什么要设计这样的实验步骤，为什么要采取这种实验方法等，都不知所然，谈不上理解实验。学生没有机会思考，教师也没有引导学生思考，实验能否采用另一种方法来进行。由于为了实验而实验，没有思考和挖掘实验过程中蕴藏的物理知识、物理方法，所以学生的实验能力、学习能力、思考能力都没有得到提高，对后期的知识学习和运用形成隐形的障碍。

在《探究二力平衡条件》实验教学的过程中，我对这个探究的过程加以改进，期望在探究的过程中，能启发学生的思维，提升学生的能力。在探究的过程中，我重点引导学生在每个环节进行思考，激发学生的思维，让学生除了知道如何做实验，也要懂得为什么这样操作，发散思维思考实验还能怎样做。

我提供实验器材：钩码若干、带钩木块、带钩小车、卡片、弹簧测力计两个、两端带滑轮的长木板一个、玻璃板一个、铁架台两个、滑轮两个。

接着，我向学生提出三个问题：（1）实验中，我们选择哪个物体作为研究对象？（2）我们采用何种方式对研究对象施加两个力？（3）由于存在多个可能的影响因素，我们如何只“破坏”其中一个因素？

学生首先想到的研究对象就是钩码，选择弹簧测力计施力。

图1

图2

图3

师：如何呈现研究对象是处于平衡状态呢？

生：当把两个50 g的钩码挂在弹簧测力计下时，如图1，可以发现拉力F=1 N，根据公式G=mg可以计算出物体的重力也是1 N，所以F=G时物体可以处于平衡状态之静止状态。

师：你准备如何破坏两个力大小相等呢？

生：当用手向下拉钩码，如图2，使F≠G时松手，钩码会向上运动，不能平衡；当向上用手托住钩码，如图3，使F≠G时松手，钩码会向下运动，不能平衡。

学生用熟悉的两个器材钩码和弹簧测力计，通过读拉力和计算重力的方法得出F=G时，物体可以平衡的结论。而要“破坏”“两个力大小相等”这一条件时，分析重力大小不能改变，只能通过用手拉或者托钩码的方法来改变拉力F的大小，使之与G不相等，同时保证了这两个力方向相反、作用在同一直线上。多好的思路呀！

图4

图5

师：如何只破坏两个力方向相反这一条件呢？

生：保证两个力的大小不变并且作用在同一条直线，只能改变力的方向，好像很难做到！

师：你认为弹簧测力计的拉力和钩码的重力，哪一个容易改变力的方向？

生：当然是拉力。因为重力的方向总是竖直向下。

师：那我们如何改变拉力的方向，同时要保证拉力与重力作用在同一直线上？

生：哦，我明白了！应该将拉力的方向改为向下。

学生倒转弹簧测力计，弹簧测力计竖直向下拉钩码，如图4所示。

师：如何只破坏两个力作用在同一直线上这一条件？

生：斜着拉钩码，拉力就与重力不在同一直线了。

师：如果这样操作，除了不在同一直线上，还有其他条件发生改变吗？

生：还有力的方向发生了改变，不能满足两个力的方向相反的条件了。

学生经过分析，认为重力无法改变方向，拉力F必须竖直向上且作用线不能通过重心，只有这两个力平行这种可能。学生提出可以用如图5所示方案实验。将钩码打横，用手拉住钩码，使弹簧测力计示数为1 N，松手后钩码不能平衡。

到这里为止，探究实验可以说已经完成了，也可以得出实验结论了。但我继续引导学生：这只是研究了物体在竖直方向上的平衡，能否设计出验证物体在水平方向上平衡也需要满足这三个条件呢？

学生利用原先器材，改为水平方向施力后，发觉对钩码施力不方便，于是学生提出用带钩木块作为研究对象，但是在“破坏”“两个力大小相等”这一条件时，发现F1=1.7 N，F2=2.3 N时木块也能静止，如图6。

图6

师：两边的力大小不相等，但物体也能保持静止状态，那是不是力的大小不影响物体的平衡？

生：两个力大小不等，它们的作用效果不同，抵消1.7 N后，木块还受到0.6 N向左边的拉力，所以物体应当向左边运动。

师：为什么不向右边运动，反而保持静止状态？

生：说明有一个向左作用的力阻碍物体运动。对了，这个力应该是摩擦力，是木板对木块的摩擦力，说明水平方向上，物体受到三个力的作用。

找到问题所在，那如何减小摩擦力呢？有些学生提出换用小车为研究对象或换用玻璃板来代替长木板，最后通过讨论，大家认为滚动摩擦比滑动摩擦更小，所以换用小车为研究对象。实际上，这种改变还是存在问题，但老师没有点明，让学生继续探究，延续自己的思路，让学生在问题的解决中“顿悟”。

当用小车代替木块在破坏“作用在同一直线上”时，发现旋转角度小的话小车也会静止，或虽然扭转角度大时，小车不能平衡但也不能回到两个力在同一直线上的状态。如图7。

图7

师：不在同一直线上也能平衡，是不是之前的实验结论都是错误的？可能是什么原因造成的？

生：扭过小车后，轮子在木板上横向移动，它们之间的摩擦又变成滑动摩擦，摩擦力太大，影响实验结果。

师：那有什么方法进一步减小摩擦呢？能不能“消除”摩力？

生：改变接触面，用玻璃杯替代木板。

师：那也只能减小摩擦，因为两个物体还是相互接触。大家能否从摩擦力的产生条件思考？

生：对，把小车与木板分离。

于是有学生提出悬挂小车，发现很难让小车在两个“等大、反向、共线”力的作用下平衡，学生分析是小车重力太大，于是自然提出用卡片来代替小车。

当学生用卡片作为研究对象，用弹簧测力计来施加拉力时，无论如何都难以做到两个力的大小不相等。就算学生采用另一种施力方式：一个弹簧测力计不用力，另一个弹簧测力计用力拉，发现两个弹簧测力计的示数还是相等。偶尔出现两个力不相等，也只是暂态的，很难看清楚。

师：为什么出现这种现象？

生：原因可能是这两个拉力是一对相互作用力。

师：那又如何改变其中一个力的大小呢？

经过分析学生认为应该用钩码来拉卡片，这样就可以通过增减钩码使两边的拉力大小不相等了。

师：使用钩码给卡片施力，那钩码又是如何产生水平拉力的效果呢？

生：改变力的方向。

师：如何改变？钩码的重力是竖直向下的。

生：一端水平拉着卡片，挂钩码的一端下垂，相互成90°。

师：何种方式能让这条细线改变方向，成90°？

这样，虽然定滑轮的知识还没学习，但经过学生的思考，学生明白定滑轮的作用，从而将卡片悬挂在带滑轮的长木板上进行实验，如图8。

图8

师：在水平的方向上进行实验，可观性不强，大家能否将这个实验改成在竖直的平面上进行呢？

生：将木板竖起来不是可以了吗？

师：大家看，这样能改变用力的方向吗？滑轮失去了作用。

生：那利用两个铁架台，把滑轮吊起来，再通过绳子把卡片挂上，就可以悬空在竖直平面上实验了。

又是一个神来之笔，学生不断地思考，不断完善实验，效果越来越好，越来越接近“目标”！

在用卡片设计实验过程中，还遇到一个问题，如何只“破坏”两个力作用在同一直线上这一条件呢？

生1：将卡片向下拉，然后松手。

生2：那不行，两个力的方向不是相反了。应该扭转卡片。

师：扭转卡片，要扭转到什么程度？

生：扭到两条绳子平行就行。

同学提出方向相反不在同一直线上的两个力只有是平行关系，如图9，学生在之前的实验基础上容易解决问题。

图9

图10

师：但同学们思考，是不是将卡片扭转90°，两个拉力就一定平行？

学生经老师的提醒，发觉两个定滑轮的高度一样，扭转卡片后，两条绳子是斜着平行的，不是在水平方向上平行。

生：把定滑轮的高度调整一边高，一边低，两者的高度差为卡片的高度。

以上探究的是物体在竖直方向或者水平方向上的平衡，利用调整滑轮的高度后的装置，也恰好向学生验证了斜的一直线上，同样满足平衡的条件。

科学探究是中小学科学教育的核心内容之一，无论是国家课程标准，还是新近发布的《中国学生发展核心素养》，都反复强调了科学探究能力的重要性。貌似简单的《探究二力平衡条件》实验，蕴藏着非常丰富的认知资源，值得更深入地科学探究。层层深入、不断修正，这恰恰反映了科学探究的本质。

什么样的知识适合探究、如何设计实验进行探究、如何探究方案中的逻辑关系等，这是我们一线教师必须要考虑的问题，在教学中培养学生的创新思维和思考能力。教师不仅要教给学生知识，还应该教给学生方法，提升学生的思维水平和创新能力。知其然，知其所以然。学生不仅要知道实验怎么做，也应该了解实验为什么要这样做，还应该去思考该实验还可以怎么做，这些将内化为学生自身的科学探究能力。