杠桿實(shí)驗(yàn)中有關(guān)彈簧測(cè)力計(jì)調(diào)零的若干思考

陳希 潘春宵

摘要：科學(xué)教學(xué)中涉及許多杠桿，有一些是變形的或不直觀的，學(xué)生對(duì)杠桿的解讀需要具備對(duì)基本模型的深度理解。在科學(xué)中考復(fù)習(xí)的深度學(xué)習(xí)中，教學(xué)的“作用點(diǎn)”不只是知識(shí)的膚淺的廣度，而是對(duì)知識(shí)進(jìn)行深度的挖掘，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的躍遷。深度學(xué)習(xí)是落實(shí)核心素養(yǎng)的有效途徑，不僅促進(jìn)高階思維的發(fā)展，還有利于提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。[1]

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);杠桿;調(diào)零;彈簧測(cè)力計(jì)

杠桿是一種最基本的簡(jiǎn)單機(jī)械。人們使用簡(jiǎn)單機(jī)械，是為了獲得機(jī)械利益，比如可以改變力的方向，或者用較小的力獲得較大的力。通過(guò)探究得到杠桿的平衡條件，運(yùn)用杠桿的平衡條件可以用來(lái)解決有關(guān)杠桿平衡的問(wèn)題。[2]在探究杠桿的平衡條件的過(guò)程中，教材中用鉤碼作為實(shí)驗(yàn)材料，可以非常直觀地顯示拉力和阻力的大小。而在許多情境中，為了測(cè)量出動(dòng)力和阻力的具體大小，需要用到彈簧測(cè)力計(jì)。例如當(dāng)需要研究不同方向的拉力對(duì)杠桿平衡的影響時(shí)，或者利用杠桿平衡條件測(cè)阻力的大小。

有這樣一道測(cè)試題，引發(fā)了筆者對(duì)于彈簧測(cè)力計(jì)調(diào)零的深度思考：

【例題】實(shí)驗(yàn)室的彈簧測(cè)力計(jì)的量程為5N，超出了鐵塊的重力，所以小明用木棒、細(xì)鐵絲等物品改進(jìn)了測(cè)量方案：

1、如圖甲所示，以木棒的A處為支點(diǎn)系上細(xì)線，在木棒的左端繞上適量細(xì)鐵絲，使木棒在水平位置平衡;

2、用手指勾住彈簧測(cè)力計(jì)的B處調(diào)零，如圖乙;

3、如圖丙所示，在木棒左端掛上鐵塊，右端用彈簧測(cè)力計(jì)豎直向下拉。當(dāng)木棒處于水平位置平衡時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)如圖丁所示。

回答：1、步驟二的目的？ 。

2、該鐵塊的重力？ 。

根據(jù)題干的情境，大部分學(xué)生能根據(jù)所學(xué)推測(cè)，步驟二的目的是為了消除彈簧測(cè)力計(jì)的自重對(duì)杠桿平衡的影響。在這個(gè)省力杠桿中，根據(jù)平衡條件F1L1=F2L2，又因?yàn)長(zhǎng)1=3L2，所以動(dòng)力是阻力的1/3倍，因此阻力的大小，即鐵塊的重力為6.6N。然而在課后答疑時(shí)，有學(xué)生提出了疑義：彈簧測(cè)力計(jì)反向調(diào)零后，拉力的大小應(yīng)該仍是面板顯示的值，即彈簧測(cè)力計(jì)的自重?zé)o法通過(guò)反向調(diào)零而消除。為此筆者在班級(jí)里開(kāi)展了彈簧測(cè)力計(jì)調(diào)零的深度學(xué)習(xí)：《頭腦風(fēng)暴：調(diào)零，沒(méi)你怎么行！》。

一、在實(shí)驗(yàn)中形成認(rèn)知沖突

設(shè)問(wèn)：出題者將彈簧測(cè)力計(jì)反向調(diào)零的目的是什么？

講述：出題者希望通過(guò)反向調(diào)零后，消除測(cè)力計(jì)的自重，則面板顯示的拉力值，就是作用在杠桿上的動(dòng)力大小。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：先將彈簧測(cè)力計(jì)正向調(diào)零，測(cè)一個(gè)鉤碼的重力。再將彈簧測(cè)力計(jì)的秤鉤掛在鐵架

臺(tái)上反向調(diào)零。在拉環(huán)端掛上一個(gè)鉤碼，觀察面板讀數(shù)。

結(jié)果：G鉤碼=0.5N，面板顯示值為0.5N。

結(jié)論：彈簧測(cè)力計(jì)反向調(diào)零后，彈簧測(cè)力計(jì)的拉環(huán)受到鉤碼的拉力是0.5N，面板顯示讀數(shù)也是0.5N。若將反向調(diào)零的彈簧測(cè)力計(jì)和鉤碼一起掛在杠桿的動(dòng)力端時(shí)，拉力的數(shù)值仍是鉤碼的重力0.5N，杠桿的自重是無(wú)法消除的。此時(shí)，動(dòng)力F1的大小應(yīng)等于面板的示數(shù)0.5N加上彈簧測(cè)力計(jì)的自重。即F1=F彈+0.5N。所以按照步驟二的方法，作用在木棒上的動(dòng)力的大小應(yīng)該是2.2N加上彈簧測(cè)力計(jì)的自重。因?yàn)闂l件不足，不能用平衡條件求出鐵塊的重力。

二、實(shí)踐出真知，探究科學(xué)本質(zhì)

教學(xué)過(guò)程：

（一）布置實(shí)驗(yàn)探究

實(shí)驗(yàn)一：持彈簧測(cè)力計(jì)B的秤鉤反向調(diào)零后，倒掛在彈簧測(cè)力計(jì)A的秤鉤上。將鉤碼掛在彈簧測(cè)力計(jì)B的底部拉環(huán)上，觀察兩個(gè)測(cè)力計(jì)的示數(shù)。

實(shí)驗(yàn)二：持彈簧測(cè)力計(jì)B的秤鉤正向調(diào)零后，正掛在彈簧測(cè)力計(jì)A的秤鉤上，重復(fù)實(shí)驗(yàn)一。

結(jié)論：按以上兩種方法，無(wú)論將彈簧測(cè)力計(jì)B正向調(diào)零還是反向調(diào)零，當(dāng)彈簧測(cè)力計(jì)B上都掛一個(gè)鉤碼時(shí)，對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)A的拉力是等大的。因?yàn)閮煞N方案中，因彈簧測(cè)力計(jì)自重和鉤碼重力引起的拉力都作用在彈簧上，彈簧的伸長(zhǎng)量與拉力成正比。所以讀數(shù)是等大的。

（二）集思廣益：

從彈簧測(cè)力計(jì)的構(gòu)成出發(fā)，想一想怎樣調(diào)零彈簧測(cè)力計(jì)B才能盡可能地既消除它的自重，又能在彈簧測(cè)力計(jì)A上讀出總拉力呢？

實(shí)驗(yàn)：手持彈簧測(cè)力計(jì)B的面板反向調(diào)零后，將其倒掛在彈簧測(cè)力計(jì)A的秤鉤上，重復(fù)實(shí)驗(yàn)一內(nèi)容。

三、以沖突為跳板，進(jìn)入深度學(xué)習(xí)

總結(jié)歸納得出，當(dāng)將彈簧測(cè)力計(jì)B（手持面板調(diào)零后）和鉤碼一起掛在調(diào)平后的杠桿上時(shí)，面板的讀數(shù)是0.9N，動(dòng)力F1的實(shí)際值也是0.9N。所以例題步驟二中，如果用手持彈簧測(cè)力計(jì)的面板調(diào)零后再進(jìn)行操作，則面板上顯示的2.2N就是拉力的實(shí)際值，這個(gè)值已包含了彈簧測(cè)力計(jì)的自重。用該方法測(cè)得的數(shù)據(jù)代入杠桿平衡條件計(jì)算，能更準(zhǔn)確地測(cè)出鐵塊的重力。

提問(wèn)：以上調(diào)零方案在探究“不同方向拉彈簧測(cè)力計(jì)，使杠桿平衡”的實(shí)驗(yàn)中是否可用？

分析：不可用。當(dāng)拉力方向和重力方向一致時(shí)可用，即僅用于豎直向下拉。

提問(wèn)：那么用現(xiàn)有器材，還有其他方法可以測(cè)得鐵塊的重力嗎？

方案：經(jīng)過(guò)課堂討論，學(xué)生們得出，還可以將彈簧測(cè)力計(jì)正向調(diào)零后掛在木棒的右端，支點(diǎn)不變，然后在木棒左端纏上細(xì)鐵絲，直至杠桿平衡。

分析：這個(gè)方法與“用天平測(cè)量食鹽質(zhì)量的操作前，只在右盤(pán)放入濾紙，再對(duì)天平進(jìn)行調(diào)平”的原理相同。按圖中的操作調(diào)零，可忽略彈簧測(cè)力計(jì)的自重。此時(shí)面板顯示的值，就是作用在彈簧測(cè)力計(jì)上的拉力大小，也是作用在杠桿上的動(dòng)力大小。

歸納概括：有彈簧測(cè)力計(jì)參與的杠桿調(diào)零方案有：

探究杠桿平衡條件過(guò)程中對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)的操作（豎直向下拉時(shí)） 方案1 方案2

杠桿平衡后，持彈簧測(cè)力計(jì)的面板反向調(diào)零，倒掛在杠桿的動(dòng)力（或阻力）作用點(diǎn)上。面板顯示值就是杠桿的動(dòng)力大小。 將彈簧測(cè)力計(jì)正向調(diào)零，正掛在杠桿的動(dòng)力（或阻力）作用點(diǎn)上，再進(jìn)行杠桿調(diào)平。面板顯示值就是杠桿的動(dòng)力大小。

杠桿作為一種古老的簡(jiǎn)單機(jī)械，仍是現(xiàn)代機(jī)械的重要基礎(chǔ)，人體的骨骼和生活用品中也有杠桿的身影。在利用杠桿平衡的教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師根據(jù)學(xué)習(xí)情境開(kāi)展的深度學(xué)習(xí)，是學(xué)生構(gòu)建自我知識(shí)體系的重要組成。在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生能主動(dòng)“經(jīng)歷”科學(xué)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，

從而認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)的本質(zhì)和內(nèi)涵，讓學(xué)生成為真正的教學(xué)主體。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉笛.基于深度學(xué)習(xí)的初中科學(xué)課堂重構(gòu)[J].教學(xué)與管理，2019（8）：53.

[2]義務(wù)教育教科書(shū)《科學(xué)教學(xué)參考書(shū)九年級(jí)上冊(cè)》[M].杭州：浙江教育出版社，2014年8月第1版71.