关于杠杆在水平位置平衡的讨论

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  摘要:笔者从事中学物理教育多年,看到过很多资料,听到过很多老师,关于探究杠杆平衡条件的实验 ——杠杆在水平位置平衡的表述,总感觉有失偏颇,就萌生写篇文章,想和同行交流讨论。
  关键词:物理教育;杠杆;平衡
  中图分类号:G633.7文献标识码:A文章编号:1992-7711(2020)04-070-1
  当然,大家都清楚,杠杆在倾斜位置的静止,也为杠杆平衡状态,同样满足杠杆平衡条件。如图1所示,只不过这种情况要注意力臂并非OA、OB ,力臂不与杠杆重合,而是L1、L2,所以实验时测量力臂不方便。
  既然杠杆在倾斜位置静止也是平衡,那为什么实验探究时,非得选在水平位置平衡呢?笼统的讲,是为了方便实验。如果要具体说明,得分挂钩码前和挂钩码后进行讲解。并且,先讲解挂钩码后杠杆在水平位置平衡的原因。关于这点,大家的观点是一致的。如图2所示,杠杆在水平位置平衡,力臂为OA 、OB,正好与杠杆重合,而杠杆上标有刻度,这样就能非常方便地从杠杆上直接读出力臂了。
  挂上钩码,需要测量力臂,为了方便测量力臂,使杠杆在水平位置平衡,这个大家都好理解。重点是未挂钩码,并不需要测量力臂,为什么也要在水平位置平衡呢?就关于这方面,大家的分歧比较多。
  分歧1:以为重心在杠杆的支点上。实际不然,制作杠杆时,为了增强杠杆的稳定性,将杠杆的支点置于重心以上,即重心放在支点以下,降低重心。如图3所示。
  分歧2:在水平位置平衡,使杠杆重力力臂为0,消除杠杆自重对杠杆平衡的影响。这样解释,不能让人信服。因为杠杆在倾斜位置静止,如图4所示,杠杆受到支持力和重力作用,因为二力平衡,二力共线,所以重力作用线经过支点,杠杆重力力臂也为0,自然杠杆自重对杠杆平衡也没有影响。
  正解:挂钩码前,如果在倾斜位置平衡,如图5所示(图中O为支点,G为重心),重心在支点正(竖直)下方,关键的是挂上钩码后,最终要在水平位置静止,如图6所示杠杆重心位置移动(左移),这样杠杆重力的力臂不为0,这样就会影响挂上钩码的重力大小,从而影响实验研究结果的准确性,甚至导致得到错误的结论。所以挂钩码前使杠杆在水平位置平衡,是为了与挂钩码后在水平位置平衡保持一致,大的目的是为后来方便测量力臂服务的,更为具体的目的是消除杠杆自重对实验结果的影响,或表述为消除杠杆自重对杠杆水平位置平衡的影响,而不宜表述为消除杠杆自重对杠杆平衡的影响。
  下面是2007年安徽中考物理一道关于杠杆的题目,笔者感觉其中表述有待商榷。
  【2007安徽中考】20.圖为探究“杠杆的平衡条件”的实验装置.实验中:
  (1)首先应调节杠杆两端的螺母,使杠杆在不挂钩码时处于水平位置平衡状态,这一调节过程中的目的为了使杠杆的自重对杠杆平衡不产生影响,这时杠杆重力的力臂为___________.
  (2)实验过程中,给杠杆两端挂上不同数量的钩码,移动钩码的位置,使杠杆保持水平平衡状态,这时就可读出相应的数据,当然也可通过移动钩码的位置使杠杆在倾斜状态下达到平衡,并进行相关数据的测量,但我们总是选取杠杆的水平平衡状态进行实验,其原因主要是____________。
  总结:题(1)的表述“这一调节的过程的目的是为了使杠杆的自重对杠杆平衡不产生影响”有些不妥,应该表述为“使杠杆的自重对杠杆水平平衡不产生影响”或“消除杠杆自重对实验结果的影响”,这样表述更准确,不知大家意见如何。
  [参考文献]
  [1]谢杰妹,黄静.基于STEM理念的初中科学概念教学设计——以杠杆教学为例[J].物理教学探讨,2019,37(7).
  [2]季涛.多力作用下的杠杆平衡[J].数理天地(初中版),2013,(5):6-8.
  (作者单位:桐城市第二中学,安徽 桐城 231400)
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