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阿基米德说过:“给我一个支点,我便可以撬起地球”,这句话便是说杠杆原理。战国时代的墨子已经对杠杆有所观察,在《墨子·经说下》中说“衡,加重于其一旁,必捶,权重相若也。相衡,则本短标长。两加焉重相若,则标必下,标得权也”。这两条对杠杆的平衡说得很全面。里面有等臂的,有不等臂的;有改变两端重量使它偏动的,也有改变两臂长度使它偏动的。杠杆原理用公式表达:动力×动力臂=阻力×阻力臂(F1×L1=F2×L2)(图1)。
支点:杠杆可以绕其转动的点O(动力臂和阻力臂之间的点)
动力:使杠杆转动的力F1
阻力:阻碍杠杆转动的力F2
动力臂:支点O到动力作用线的距离L1
阻力臂:支点O到阻力作用线的距离L2
我们可以用Scratch程序完成模仿杠杆平衡的小实验:一个杠杆的两边,分别挂着两块石头,初始时石头大小相同,它们到支点的距离也相同,此时的杠杆是平衡状态。如果改变了一边石头的大小,此时杠杆就会失去平衡,要想让杠杆恢复平衡,一是改变石头的大小。二是可以调整石头离支点的距离,也就是力臂的大小,来使杠杆重新恢复平衡(图1)。
程序解析:我們通过移动滑杆控制变量石头的大小,首先设置两侧默认石头大小为50,设置两边的力矩(力矩就是石头×坐标绝对值),左右两侧的重量是石头大小×0.1(可自定义),运用杠杆原理的公式F1×L1=F2×L2控制杠杆的平衡计算。左侧为左侧重量×左侧力矩,右侧为右侧重量×右侧力矩。当左右两侧重量不相同的时候,程序会根据两侧的重量自动调整石头距离(图2)。
当两侧不平衡时,就会触发杠杆左右力矩的调整,如果我们在原基础上将左侧石块重量调大时,由于右侧石块的大小并没有发生变化,我们就需要改变右侧石块力矩。最后为了检查两侧是否平衡,我们还需要将杠杆右侧和左侧的重量×力矩进行比较调整直到两侧相同。那么怎样让石块完成移动呢?用广播来控制左右石块的移动就可以了(图3)。
当石块收到左/右调整广播信号的时候,在规定的时间内移动到计算出的力矩位置,由于左侧和右侧的X轴位置是正数和负数,当收到右调整后,迅速在一秒内滑行到坐标为(右侧力矩,0)位置,当收到左调整后,滑行到左侧距离为(0-左侧力矩,0)位置。在程序开始情况下,默认调整到固定距离,并且随着滑杆的移动,调整石块的大小(图4)。
最终效果如图5。当然我们的Scratch不仅仅可以和数学语文的内容进行结合,还可以结合科学物理知识,通过这样一个科学小实验让小朋友了解杠杆原理的基本内容。
支点:杠杆可以绕其转动的点O(动力臂和阻力臂之间的点)
动力:使杠杆转动的力F1
阻力:阻碍杠杆转动的力F2
动力臂:支点O到动力作用线的距离L1
阻力臂:支点O到阻力作用线的距离L2
我们可以用Scratch程序完成模仿杠杆平衡的小实验:一个杠杆的两边,分别挂着两块石头,初始时石头大小相同,它们到支点的距离也相同,此时的杠杆是平衡状态。如果改变了一边石头的大小,此时杠杆就会失去平衡,要想让杠杆恢复平衡,一是改变石头的大小。二是可以调整石头离支点的距离,也就是力臂的大小,来使杠杆重新恢复平衡(图1)。
程序解析:我們通过移动滑杆控制变量石头的大小,首先设置两侧默认石头大小为50,设置两边的力矩(力矩就是石头×坐标绝对值),左右两侧的重量是石头大小×0.1(可自定义),运用杠杆原理的公式F1×L1=F2×L2控制杠杆的平衡计算。左侧为左侧重量×左侧力矩,右侧为右侧重量×右侧力矩。当左右两侧重量不相同的时候,程序会根据两侧的重量自动调整石头距离(图2)。
当两侧不平衡时,就会触发杠杆左右力矩的调整,如果我们在原基础上将左侧石块重量调大时,由于右侧石块的大小并没有发生变化,我们就需要改变右侧石块力矩。最后为了检查两侧是否平衡,我们还需要将杠杆右侧和左侧的重量×力矩进行比较调整直到两侧相同。那么怎样让石块完成移动呢?用广播来控制左右石块的移动就可以了(图3)。
当石块收到左/右调整广播信号的时候,在规定的时间内移动到计算出的力矩位置,由于左侧和右侧的X轴位置是正数和负数,当收到右调整后,迅速在一秒内滑行到坐标为(右侧力矩,0)位置,当收到左调整后,滑行到左侧距离为(0-左侧力矩,0)位置。在程序开始情况下,默认调整到固定距离,并且随着滑杆的移动,调整石块的大小(图4)。
最终效果如图5。当然我们的Scratch不仅仅可以和数学语文的内容进行结合,还可以结合科学物理知识,通过这样一个科学小实验让小朋友了解杠杆原理的基本内容。