初中物理“简单机械”实验设计分析.pdf

科学中考名师讲堂初中物理“简单机械”实验设计分析薛峰简单机械的知识是理解和学习复杂机械的基础，其中会涉及到的实验有杠杆的平衡条件和滑轮组的装配.学生可以通过自已制作实验道具进行实验模拟，进而完成本部分内容的学习.一、初中物理“简单机械”实验设计学习策略简单机械这一单元教学涵盖了“杠杆的平衡条件”、“定滑轮、动滑轮、滑轮组”“机械效率”三节课时内容.知识内容呈递进式，进行学习时，学生要根据教材的编排，从易到难，慢慢过渡，在掌握了扎实的知识理论后再进行下一步的探究学习，实验操作是这一章节主要要用到的教学方法，实验道具简单易做，学校里可以提供，学生也可以参考教材进行制作.本文笔者将以“杠杆”的实验为例进行讲解，解答实验设计学习中需要关注的点，（一）理解“杠杆”概念，推导“杠杆”公式“知其然知其所以然”，可以很好的解释学习过程中的学习思维。一般来说，学习一个新知识，我们需要知道它是什么，它从何而来，要知道并能够理解它的概念，认同它的出现，才能够在学习的时候没有疑问.比如数学中的负数来说,我们一开始接触的是1、2、3、4这样的自然数，在后面接触到负数时，很多学生转不过弯来，无法认同负数的存在，因此在学习一1、一2、一3 这样的负数时，学生是带着疑惑的，心里面是别扭的，只有弄清楚负数的概念，负数出现的意义，才能够打消学生的顾虑，清清楚楚的进行下一步的学习.同理，在“杠杆”的学习中，我们需要先吃透“杠杆”的概念.后续再进行实验进行验证。例如，杠杆的概念：在教材的第一节知识点中，结合教材中的杠杆图片来解读杠杆的原理：一根硬棒，在力的作用下，能绕着固定点O转动，这根硬棒就是杠杆.这句话里面找到关键因素“力的作用、固定点O、一根硬棒”，再结合教材中的延伸解释：支点：杠杆也就是硬棒可以绕其转动的点O,动力：作用在杠杆上，使杠杆即硬棒转动的力F1,图片中为男生作用在硬棒上的力；阻力：阻碍杠杆转动的力F2，图片中为石头压住木棒另外一头，石头作用在木棒上的力；动力臂：从支点O到F作用线的距离；阻力臂：从支点O到Fi作用线的距离.综上阐述，可以得到以下信息：1.在杠杆的运作过程中，至少会涉及到这几个因素：杠杆、支点、动力、阻力、动力臂、阻力臂.2.当杠杆在动力与阻力作用下静止时，则杠杠处于平衡状态以上为对杠杆的概念解读，还是比较容易掌握，接下来，我们就可以根据总结归纳的概念进行杠杆的平衡条件的实验。参考教材中的实验案例，我们可以准备以下器材：制作如教材图片所示的杠杆，动力或者阻力（3 组大小体积重量一致的钩码甚至更多）.右侧钩码对杠杆施加的力为动力Fi且支点到Fi的距离为动力臂L1左侧钩码对杠杆施加的力为阻力F2且支点到F2的距离为阻力臂L2.学生进行分组实验，1.给杠杆的两侧分别挂上不同的重量的钩码,进行移动，观察在什么情况下，杠杆又回到平衡的状态，2.同样的试验，在不改变钩码的重量的情况下，分别改变动力臂与阻力臂的长度，在观察杠杆在什么情况下会回到平衡状态.3.以上试验反复进行操作，看看有什么发现。通过表格记录数据，我们会得出这样的结果：杠杆保持平衡的条件是：动力X动力臂=阻力阻力臂，即F,L=F,L2.以上便是我们从案例和概念阐述中总结归纳出的关于杠杆的更加细化的概念，又参照案例进行反复试验论证，得到杠杆平衡的条件与公式。（二）对杠杆公式进行运用当我们推导出一个实验现象，得到一个公式，接下来就是在实际案例中进行运用，对公式里面涉及到的变量进行计算，在“千变万化”中吃透公式，巩固对该公式的理解与使用，加深印象。2023843科学中考/KEXUEZHONGKAO例如，书上的现代版曹冲称象（请参照图示内容）：在杭州动物园内，一位物理老师运用杠杆的原理，仅仅利用小小的弹簧测力计就测出了一头大象的体重.测量时利用了一根长度为1 2 m的槽钢作为杠杆，吊钩固定于槽钢的中点O.当槽钢水平静止时，弹簧测力计示数F1为200N.测得L为6 m,Lz为4cm，若不计铁笼的质量，请估算大象的质量.g取1 0 N/kg.答案解析：人通过弹簧测力计对杠杆的拉力为动力Fi=200N,动力臂Li=6m;不计铁笼的质量.则大象对杠杆的拉力为阻力F，它等于大象所受的重力G,阻力臂Lz=4 cm=0.04 m根据杠杆的平衡条件FiLi=FzL2，有F2=F,L/Lz=200 NX6 m/0.04 m大象的质量m=G/g=F2/g=310%/10N/kg=3103kg=3t即大象的质量是3 t(三）实验延伸在进行杠杆的基础理论学习与杠杆公式的基础应用之后，进人下一步的深层次学习就是推导实验的更多可能性.基于上文提到的实验，我们在追求让杠杆达到一个平衡的状态，那么针对杠杆在没有达到平衡的时候，对于实验现象中出现的不平衡因素，我们要怎么进行阐述与归纳.例如，“生活中的杠杆”这小节中，从生活事件中的跷跷板、拔钉子用的羊角锤，引发出“等臂杠杆、省力杠杆、费力杠杆”，教材中进行举例阐述了各自的概念。等臂杠秆:天平的动力臂与阻力臂相等，是一种等臂杠杆.省力杠杆：它的动力臂比阻力臂长.这类杠杆虽然省力，但是动力作用点移动的距离却比阻力作用点移动的距离大，雀了力，却费了距离.费力杠杆：杠杆的动力臂比阻力臂短，动力比阻力大，所以把它叫做费力杠杆.这类杠杆动力作用点移动的距离比阻力作用点移动的距离小，虽然费力，却省了距离。在这个推导延伸的实验环节，教材中没有提及公式的变化，但是紧接着后文出现的思考题，都是要求我们根据前文推导的公式，结合后文归纳的概念进行变通，计算出在杠杆题型中涉及到的各种变量.所以此时，我们要充分发挥我们的主观能动性，参照前文的推导方式，将公式灵活的进行变化，在对应的概念上，进行公式的推导，写出公式各个变量之间的关系，进行总结，这样在后续的应用题解答当中就可以直接套用公式，且加深对公式的掌握，对概念的理解，明白实验过程中的流程，能够应对千变万化的题型。例如，根据前面“等臂杠杆、省力杠杆、费力杠杆”的概念，结合杠杆的平衡公式可以得到：（1）省力杠杆：动力臂的长度是大于阻力臂的长度，即LL2,杠杆平衡时，动力小于阻力,FiF2即用较小的动力就可以克服较大的阻力.举例：刀、剪铁皮的剪刀、起钉锤、起子等。（2）费力杠杆：动力臂小于阻力臂，即LiF2，即使用费力杠杆费力，但是动力移动的距离比阻力移动的距离小。费了力，却省了距离.举例：钓鱼竿、理发剪刀、镊子等.（3）等臂杠杆：动力臂等于阻力臂，即Li一L2，杠杆平衡时，动力等于阻力,Fi=F2,即使用等臂杠杆既不省力也不费力，既不省距离也不费距离，但可以改变动力的方向，使工作方便.举例：天平。综上，在进行“简单机械”的实验设计中，要结合题型对概念与公式进行进一步的延伸与归纳，形成完整的理论知识点以便于在复杂的题型中进行运用，节省时间。二、结语实验设计是物理学科教学中的重要环节，要求学生能够根据教材内容进行简单的实验，学生掌握基础的实验技能可以推动学生后续进行复杂的物理实验学习.以“简单的机械”为例，注重对概念的理解，关注公式的变化，能够对概念和公式进行延伸是学生在进行实验设计的有效办法.44