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1、力臂概念的创新教法刘小洪广州市真光中学 广东 广州 510000 关键词：力臂 力臂仪 演示 创新教法摘要：在以往的力臂概念教学中，常见的教学方法是让学生知道力臂是“支点到力的作用线的距离” ，至于为什么要这样定义，却没多少人去探究。本文提出了一种用自制“力臂仪”来演示力臂概念的新教学方法，使力臂这个概念的物理意义充分显现，突破了力臂概念数学味过浓的问题，同时也介绍了“力臂仪”的制作方法。一、问题提出为什么要把力臂定义成“支点到力的作用线的距离” ？不要说学生，就是很多老师也回答不了这一问题。到目前为止，教材、教参等资源从来就没有涉及，当然更没有提供解决这个问题的真正的有效方法，大多数老师自己
2、也没想到有什么好方法，老师们对此奈何不得，于是，只能通过专制式的教学方法，年复一年地强迫学生背力臂概念。之所以这样定义这个物理量，自有其道理，只是我们没去深入探究，或者不需要我们去探究而已，因此，力臂概念成了物理中著名的纯数学意义的、体现不出物理含义的概念，教得无趣，学得无味。所幸的是我已找到力臂概念的创新教法，那就是用我制作的“力臂仪”来演示力臂（另一些案例，如“凸透镜的应用” 、 “力的平行四边形定则” 、 “超重与失重”等重点难点知识的创新教法，将陆续介绍） 。二、力臂仪介绍如图 1 是原理图，图 7 是它的实物图，它由四个部分组成：1.平板 2.表示杠杆的直杆 MN（其上有等宽彩色不干
3、胶） 3.表示力的直杆 AC（其上有等宽彩色不干胶） 4.表示力臂的橡皮筋 O2B 图 1 中的 O2表示杠杆的支点，O 3表示力的作用点，AC 可以绕着 O3转，O 1O2把杠杆 MN 固定在平板上。3、力臂仪原理本演示仪用一根橡皮筋来代表力臂，它可长可短，非常适合表现力臂长短的变化。橡皮筋一端固定于支点 O2，另一端连接着一个小滑轮 B，而小滑轮在直杆 AC的内槽几乎可以无摩擦地运动；当橡皮筋 O2B 偏离 O2D 这个与直杆 AC 垂直的位置时，如图 2 所示，橡皮筋的拉力 T 可分成二个分力：即图 2 中的 Tx 和 Ty。对小滑轮 B 而言，由于受沿 AC 棒方向的 Tx 作用（摩擦
4、力可忽略） ，因此小滑轮会向着 D 点方向运动，直到停留在 D 点为止，D 点就是小滑轮的平衡位置，实验表明，无论我们用手使橡皮筋偏移到 A 端或 C 端，一松手，小滑轮瞬间就能回到平衡位置 D 点静止下来，而此时的橡皮筋正好垂直于 AC，垂直位置就是橡皮筋的归宿，由此得到力臂被定义成“支点到力的作用线的距离”的事实依据。只要旋转直杆 AC，代表力臂的橡皮筋 O2B 长度就会随之而变，力臂的大小与什么因素有关的问题就直观看出来。四、力臂仪的制作1.做杠杆：截取用于制作橱窗活动玻璃门所用的铝型材(它的横截面是 H 形，如图 3 所示)1 段约 50cm，其上粘有等宽绿色不干胶纸，这样，绿色与灰色
5、交替，在每个绿灰交界处磨一小缺口，用于探究杠杆平衡条件之用；另在这根铝材上钻有三个小孔，即 、 、 ，且 1、 对称在 2两侧。2.做力：截取另一段上述铝型材约 35cm，上半槽在 1：2 处留有 1cm 宽的凸起，在其上钻一小孔，再将其余部分打磨掉，如图 4、5 所示，将所锯之处打磨光滑，在其正面涂上等宽红色不干胶，这样就红色、灰色交替，在离小孔较远的 A 端，用铁皮剪成一箭头形状和一个“F”形状，并按如图 5 所示方法粘牢，再在其两端各钻一小孔。3.做力臂：取一根粗橡皮筋，一端与一小滑轮连接，在小滑轮表面、轴处涂抹少量润滑油（如凡士林） ，再将小滑轮装入表示力的槽 AC 内，如图 6 所示
6、，最后在两端小孔中各旋入一小螺钉，防止小滑轮在演示实验时从两侧端滑出。4.做面板及支架：取面积约 35cm50cm 的长方形铝塑板（也可以用木板） ，其上钻有二个孔，这两个孔分别与 O1、O 2对应，背面装上一个可折叠（或可拆缷）的支架。组装：1.将 AC 中部小孔与 MN 上的 O3小孔对齐，用适当长的螺钉插入两孔中拧上螺母装配好，使 AC 能绕 O3灵活转动；2.用适当长的两螺钉分别穿过小孔 O1、O 2，将 MN 便固定在平板上。使 O2处的螺杆凸起于 MN 约 5mm 左右便于挂橡皮筋；3.在面板上标注明杠杆、 “支点” 、 “力的作用点” 、 “力臂仪”等具有说明作用的文字，在面板后
7、安装支架；图 7 是力臂仪的全景照片。图 7五、使用方法演示力臂的定义：把仪器支起，斜立在桌面上，一只手使转动到与成一定角度（如度左右）位置时停止，此时橡皮筋会自动停在与垂直位置；另一只手拨动小滑轮，使橡皮筋不再与垂直，然后松手，会看到橡皮筋“顽强”地回复到与垂直的位置停下；再向另一侧拔动橡皮筋，重复演示，会发现，橡皮筋仍“顽强”地回复到与垂直的位置停下。以上步骤表明：垂直是橡皮筋的归宿，橡皮筋的长度就是“支点到力的作用线的距离” ，由此很自然地引出力臂的定义， “点到线的距离”这个定义的物理本质就揭示出来了，物理味道就出来了，就是这么奇妙！这个世界并不缺少美，缺的是一双发现美的眼睛。演示静态
8、力臂：让分别停在几个不同位置，本人推荐三具比较典型的位置，即锐角位；直角位；钝角位。让学生仔细观察，找出每个位置的力臂，此步骤用来说明什么是支点到力的作用线的距离，怎样找不同方向的力的力臂。作为拓展，可以引导学生分析讨论：如果杠杆 MN 不是直的，而是任意形状，那么力臂又怎样确定？演示动态力臂：与上述操作相似，让绕 3顺、逆慢慢转动，则代表力臂的橡皮筋长度不断地变化，从而实时显示出力作用点不变，当力的方向发生变化，力臂大小也随之而变的情景。4 探究杠杆的平衡条件：拧下 O1、O 3处的那两个螺帽，拔出这两处的两个螺杆，使杠杆 MN 能绕 O2灵活转动。将两根细线做成的圈套在杠杆的左、右端有缺口
9、的位置，再在左右圈上挂若干个钩码，增减左、右端钩码个数或移动细线圈位置，使杠杆平衡，找出杠杆平衡条件。六、本仪器亮点1 构思巧妙，能深刻地揭示力臂这个概念的物理本质 通过橡皮筋始终与“力”方向垂直，引出力臂的定义；通过橡皮筋长短显示力臂大小；通过橡皮筋长短变化显示力臂大小变化。这在中学物理教学中第一次正式采用仪器来说明“力臂”这个物理概念，填补国内外力臂演示仪的空白。2 直观简便，效果显著只须用手拔动表示力的合金杆，就可以非常直观、实时地显示出各种方向的力相应的力臂，提高了课堂教学效率。3 既有创新，又有传承它能演示力臂，又能探究杠杆的平衡条件4 激励同学，启发创新由于结构简单，构思精巧，说服力极强，因此仪器本身就是一篇很好的创新教育素材，通过仪器结构、原理的介绍，必然会激发同学的创新思维，培养学生的创新能力。（配合此文，广州市明立科教设备有限公司可供实验器材，若需购买，可以通过销售客服 QQ715157829 联系） 2012.7.15
