探究杠杆的平衡条件的实验报告文档

探究杠杆的平衡条件的实验报告在转动时的效果不仅与力的三要素有关，还与力臂有关，那么要使杠杆保持平衡到底需要什么条件？如何在STEM项目下通过自主探究实验寻找杠杆平衡条件？为此，按照科学探究的一般步骤，以学科知识为基础，结合STEM教育在初中物理实验教学中的思路分析，建立“以生活经验为方式、以意义建构为途径、以核心素养为根本目的”的STEM教育下的初中物理实验教学。生活经验为方式，激发学生主动探究实验生活经验是学生的宝贵财富，是探究物理实验的重要精神食粮，如学生在生活中的体悟、感知、经验，也包括学生的“身心”经历，如学生在认知层面上对实验的理解，对实验的认知冲突、情感体验等。引入：《指环王》是彼得·杰克逊导演的三部奇幻史诗电影，气势恢宏堪称经典，更让人叹为观止的战争场景就是米纳斯提里斯保卫战——惊心动魄的投石机大战。其实这个威力巨大的投石机在三国时期的官渡大战中也出现过，如图就是曹军赖以扭转打败袁绍的“霹雳车”。如下图所示的投石机就是完美展现了物理学中杠杆的独特魅力。那么投石机为什么会有如此巨大的威力？它的平衡条件是什么？这就是我们这一节课要共同探究的杠杆平衡条件。自主探究：以问题为中心，以意义建构为途径，依托STEM教育的最优化整合，开展合作探究学习1.以问题为中心进行复习：建构以前学过力的平衡状态和二力的平衡条件为起点，引入杠杆平衡状态。物体的平衡状态：

或

状态。

杠杆的平衡状态指是杠杆处于

状态或

状态。

今天我们只研究杠杆处于静止状态的平衡，那么杠杆的平衡条件是什么呢？今天我们通过实验共同来探究杠杆的平衡条件。2.以意义建构为途径：以科学探究的一般步骤为基础，对比常规性探究与STEM项目下自主探究的区别，提升科学探究能力（1）提出问题：杠杆在什么条件下才平衡？（2）猜想假设：杠杆平衡可能与_______________等因素有关。（生活中经验告诉我们：在杠杆不同位置施加的力的大小可能不同，可能在离支点远的地方力小，在离支点近的地方力大）（3）设计实验并探究（常规性探究杠杆平衡条件的实验）：①实验器材：杠杆（含支架）、钩码、刻度尺、细线、弹簧测力计等②实验步骤：a．实验前，将杠杆中心选为支点，调节两端平衡螺母，使杠杆在水平位置平衡；b．在杠杆左右两边分别挂上不同数量的钩码，调节钩码位置，使杠杆重新在水平位置平衡，如上图所示；c．将支点左边的钩码重为动力F1，支点右边的钩码重为阻力F2，用刻度尺测量出动力臂L1和阻力臂L2，将测量结果记入设计的下表1中；d．改变钩码的个数，重复多次实验，将结果记入表格中；e．求出各次实验中，动力×动力臂和阻力×阻力臂的值，加以比较。（4）STEM项目下的探究实验：如果利用弹簧测力计代替杠杆右端钩码进行实验，改变弹簧测力计的拉力方向，将如何进行探究实验呢？需要依托STEM教育的最优化整合，助推科学探究能力的提升，即以科学知识中探究杠杆平衡条件为出发点、借助技术和工程知识解决探究实验中出现的力臂无法直接测量的难题、利用数学中圆的思想解决不同条件下力臂测量问题。如下图是STEM项目下探究杠杆平衡条件的实物图，在杠杆后面以支点为中心挂一个大的白色硬纸板，且紧贴杠杆上，这样借助技术和工程思想，可以将探究实验过程中上下、前后摆动的杠杆固定在一个平面内进行实验，同时以支点和阻力作用点连线为直径，在白色硬纸板上画出一个圆，具体自主探究步骤如下：a．调节杠杆在水平位置平衡；b．如图所示，在杠杆左边挂上一定数量的钩码作为动力F1，在杠杆右端阻力作用点位置，用弹簧测力计分别沿不同方向拉杠杆，使杠杆保持平衡，记下弹簧测力计的示数F2；c．以如图所示的弹簧测力计拉力方向为例，当杠杆保持水平位置平衡时，利用直角三角板的一条直角边沿拉力方向（圆的一条弦），另一条直角边经过圆心O，且直角顶点A处于圆上（圆的另一条弦），根据数学中直径所对的两条相交弦垂直的思想可知：图中OA即为阻力F2所对的阻力臂L2；动力臂L1可以直接利用刻度尺测量；d．杠杆左边的钩码及位置不变，多次改变弹簧测力计拉力方向，记录动力F1、动力臂L1、阻力F2、阻力臂L2，并记录在上表1中，比较每次实验中，F1×L1和F2×L2的大小关系，得出杠杆平衡条件；e．为了使实验结论更科学，更具有普遍性，杠杆左边也利用弹簧测力计代替钩码进行实验，方法和上面相同，如下图所示进行多次实验，记录数据，寻找杠杆平衡条件；f．为了使实验结论更具有代表性，普遍性，可以再分别改变动力作用点和阻力作用点位置，按照上述方法再多次实验，记录数据，进一步得出杠杆平衡条件（5）分析与论证：通过实验得出杠杆的平衡条件是动力×动力臂=阻力×阻力臂，用字母表达为F1×L1=F2×L2。（6）注意事项：①实验前保持杠杆在水平位置平衡的目的是

；②实验过程中仍保持杠杆在水平位置平衡的目的是

；③实验次数至少三次的目的是

。STEM项目下探究杠杆平衡条件的方法归纳：使学生更清晰地掌握了在科学知识下自主探究物理实验、在技术和工程思想指导下解决不同方向下力臂测量难题、在数学方法下更准确理解力臂概念、掌握探究杠杆平衡条件的方法，这样得出的杠杆平衡条件是最准确的、最科学的。评价反思：利用杠杆平衡条件解决问题，提升核心素养为根本目的在评价反思环节上，教师需要结合STEM教育对学生的科学素养、技术素养、工程素养、数学素养等方面的核心素养为根本目的，对整个物理自主探究实验进行评价总结，除了对探究方案新颖程度、创新观点新颖提出表扬之外，还应对STEM项目下学生自主探究实验思维的开放性、活跃学生的思维程度、探究形式的多样性、处理数据的灵活性作出科学评价，更应关注STEM项目对学生终身自主探究实验方面的能力培养，使学生不仅会探究课内实验，而且能在STEM项目指引下自主探究生活与社会中遇到的相关物理现象，达到学以致用。比如在探究得到杠杆平衡条件F1×L1=F2×L2时，当F1×L1（或F2×L2）不变时，F2与L2（或F1×L1）成反比关系，结合数学中函数知识可以描出其关系图像，图像中任意一点的横坐标与纵坐标的乘积就是F1×L1（或F2×L2），进而可以学会对问题分析，从而达到提升核心素养为根本目的。解决问题：有一长1m、粗细均匀的金属杆可以绕O点在竖直平面内自由转动，一拉力——位移传感器竖直作用在杆上，并能使杆始终保持水平平衡．该传感器显示其拉力F与作用点到O点距离x的变化关系如图7中甲所示．据图可知金属杆重为

N；保持F的大小不变，将杠杆从A位置匀速提升到B位置的过程中，如下图中乙所示，力F的方向是

。省力

2.4

不变本题将充分应用科学、技术、工程、数学中知识解决杠杆动态平衡中力的问题。解决本题中金属杆的重力，如图甲所示，首先需要明白粗细均匀的金属杆的重心在其中点位置，即重力G对于的力臂L=0.5m（金属杆水平平衡）；其次在F-x图像中，F与x成反比关系，图像中任意一点的F×x=1.2N·m；最后根据杠杆平衡条件可计算出G·L=1.2N·m，即G=2.4N。如图乙所示，要保持F的大小不变，应保持动力臂和阻力臂不变，或动力臂和阻力臂比值不变，即力F的方向是竖直向上。总结与评价与传统初中物理实验教学相比，STEM项目下初中物理实验教学更加关注跨学科知识的重要性，自主探究实验的多元性与灵活性，探究结果的不唯一性，注重学生思维能