初中物理北师大版（京改版）八年级全一册教案-5．2 学生实验：探究杠杆

第五章第二节　学生实验：探究杠杆














一、指导思想与理论依据
从学生自制杆秤的过程中发现并提出可探究的科学问题，通过实验探究得到杠杆的平衡条件，体现“从生活走向物理”的基本理念，贴近学生生活，使学生体验到生活中无处不在的物理知识，从而激发起学生学习的兴趣，让学生在学习科学的研究方法的同时，培养学生的探索精神、实践能力以及创新意识。
二、教学背景分析
杠杆单元预设三课时，第一课时认识生活中常见的杠杆，得出杠杆是在力的作用下，能够绕固定点转动的硬棒，抽象出杠杆的三要素：支点、动力、阻力，建立杠杆模型，并制作最简单的杠杆——杆秤。本节课属于杠杆单元的第二课时，主要让学生从自制杆秤的过程中发现并提出可探究的科学问题，通过初步实验探究得到杠杆水平平衡的条件是“动力×支点到动力作用点的距离=阻力×支点到阻力作用点的距离”；然后通过自制教具，发现上述结论的片面性，产生认知冲突，获得进一步探究的欲望，顺理成章地建立“力臂”概念，通过观察，发现杠杆平衡条件应该是“”动力×支点到动力作用线的距离=阻力×支点到阻力作用线的距离”，即“动力×动力臂=阻力×阻力臂”，利用平衡条件重新审视自己的自制杆秤，将所学知识用于解决实际问题。第三课时重点解决杠杆在生活中应用，认识三种杠杆：省力、费力、等臂杠杆，并加深对杠杆五要素和杠杆平衡知识的认识。
学生在生活中见到过很多杠杆，例如杆秤、跷跷板、健身器材、扁担、撬杠、压水机等，自制杠杆的过程也对杠杆平衡有了一定的体验，学生对实验探究各环节已经有了较为清晰的认识，具备一定的提出问题、设计实验、收集数据、处理信息的能力，以上各因素对本节课的学习十分有利。对于“力臂”概念必要性的认识，是难点，在本节课通过自制教具加以初步解决，在进一步分析问题的过程中加深认识。
三、教学目标
1.知识与技能
(1)能逐步识别杠杆的平衡状态。
(2)能得出杠杆平衡的条件。
(3)能利用杠杆平衡条件去分析杆秤制作中的实际问题。
2.过程与方法
(1) 通过杠杆平衡的探究过程，学会提出问题、设计实验、收集实验数据、得出结论。
(2) 通过寻找“不变量”，建立“力臂”概念。
3.情感、态度与价值观
通过制作杆秤、探究杠杆平衡条件的过程，乐于探索生活中的常见物品的原理，有将科学技术应用于日常生活的意识，对科学有一定的求知欲望。
四、教学重点和难点、教学资源
1.教学重点
能通过探究得出杠杆的平衡条件，会提出问题、设计实验、收集实验证据、得出结论，并会利用杠杆平衡条件解决简单问题。
2.教学难点
建立“力臂”概念，认识到力臂概念建立的必要性。
3.教学资源
铁架台、杠杆（有刻度）、测力计（量程5N，最小分度0.2N）、50g×10勾码一盒（以上器材18组），自制杠杆一个，200g勾码两个，自制杆秤，铜圆柱体1个。
五、教学流程示意图











六、教学过程
环 节 教 师 活 动 学 生 活 动
一、引 课 交流讨论 发现问题 引导语：上节课我们一起认识了杠杆，并制作了简单的杆秤。【创设情境】：展示杆秤【交流讨论】： 1）杆秤的支点、动力、阻力在哪？（画出示意图）2）说说你在制作过程中遇到了什么问题？是怎样解决的？ 3）用做好的杆秤，测一个铜圆柱体的质量。 4）测量过程中，你发现杆秤有需要改进之处吗？ 过渡语：生活中像杆秤、天平这样的杠杆，使用时需要在水平位置静止，我们把这个状态称为一种平衡状态。今天我们就一起探究杠杆平衡的问题（引出课题） 回答 测量表达自己的想法 初步了解杠杆的一种平衡状态
二、 提出可探究的科学性问题 【问题设置】：1）根据制作杆秤的体验，说说哪些因素影响杆秤的平衡呢？（老师可做适当引导） 2）四个因素影响杠杆的平衡，我们如何探究它们之间的关系？你能提出一个可探究的科学问题吗？ 可能回答：秤盘中物体的重、提扭距秤砣的距离。秤砣的重、提扭距秤盘的距离等。用“动力、阻力、支点到动力作用点的距离、支点到阻力作用点的距离”表示，简化为F1、S1、F2、S2表示提出有两个可观测变量的“可探究的科学问题”（多种提法）
三、实验探究得出杠杆平衡条件的初步结论 选择其一：在F1、S1不变时，探究F2与S2的关系【设计实验】：1.介绍实验器材：铁架台、杠杆（有刻度）、测力计（量程5N，最小分度0.1N）、50g×10勾码一盒。2.设计实验方案1）自变量是 ，因变量是 ，控制变量是 。2）怎么改变自变量？怎么测量？3）怎么测量因变量？4）怎么保证控制变量不变？3.设计实验记录表格F1= ，S1= S2/cm F2/N 4.提供实验注意事项，分三个层次进行探究【层次一】：如上，在F1、S1不变时（为了便于寻找规律，可统一F1、S1的值），寻找F2与S2的关系。（实验中提示，若利用勾码不能完成多次实验，可以借助测力计完成，第一层次老师可以领着探究，逐步放手）分析得出结论：在F1、S1不变时，F2与S2的乘积相等。【层次二】：观察F2与S2的乘积与F1、S1乘积的关系结论：F1×S1＝F2×S2 【层次三】：探究F2×S2 与F1×S1是否相等F1/N S1/cm F1×S1/ N ? cm F2/N S2/cm F2×S2/ N ? cm 结论：F2×S2＝ F1×S1 明确探究课题并猜想 运用控制变量法，设计实验方案 填写探究学案并回答 分层次进行探究 提高解决新问题的能力，同时对动力阻力都作用在支点一侧的杠杆平衡有了初次体验分析得结论 进一步寻找四个量的关系 此时自变量是F1×S1，要多次改变，观察是否与F2×S2的乘积相等。
四、产生认知冲突 建立力臂概念 过渡语：上面的结论是否适用于所有的杠杆呢？我们换一个杠杆试试。【创设情境】：利用自制教具，建立力臂概念1、介绍器材：如图1、2所示， A是画有等距格子的木板；B为调平参考的水平线；C是刻度；D是中间有轴可直、也可绕轴向下倾斜的铝合金杠杆；因为杆不能忽略重力，所以E为配重，可随时调节；F是可水平横向推拉的有刻度的木杆，G是挂钩，H是黄色线绳（可以表示力的作用线），I是质量为200g的勾码。 2、使用主要步骤1）使杠杆为直杠杆，不挂勾码，调节配重，使杠杆水平平衡。（图1）2）使杠杆为直杠杆，在支点左侧第三个格处挂一个200g的大勾码，问：若右侧也挂一个，挂在哪？ 3）不挂勾码，将杠杆右侧以支点为轴向下倾斜，调节配重，使杠杆左侧仍水平平衡。（图2）4）仍在支点左侧第三个格处挂一个200g的大勾码，问：若右侧也挂一个，挂在哪？师操作，结果杠杆不再回到初始位置平衡。5）接着改变右侧勾码的位置，挂在第四个格处，杠杆左侧恢复水平平衡。（图3） 6）不挂勾码，将杠杆右侧以支点为轴再向下倾斜，调节配重，使杠杆左侧仍水平平衡。7）左侧所挂勾码仍不变，右侧在第五个格处挂一个勾码时杠杆左侧水平平衡。（图4） 8）引导思考：寻找不变量左侧力没变，力到作用点的距离也没变，右侧力没变，力到作用点的距离变化了，没有改变的是那部分的距离呢？平衡时，每次都移动黄色的细线，使它与阻力线重合，使学生观察到黄线每次都在杆的第三个水平格处。问：杠杆平衡时，哪段距离才是影响平衡的关键因素？ 9）力臂概念的形成师：这段距离就叫力臂。它是支点到力的作用线的距离，而不是支点到力作用点的距离。力臂又分为动力臂和阻力臂，请大家分别表述出它们的定义。 生答：第三个格处。（学生在利用刚才的实验结论） 预测生仍答：第三个格处。观察（疑惑） 观察矛盾冲突：动力×支点到动力作用点的距离不等于阻力×支点到阻力作用点的距离 观察继续矛盾冲突：动力×支点到动力作用点的距离不等于阻力×支点到阻力作用点的距离 回答：从支点到黄线的垂直距离（三个格长）。即：从支点到力作用线的垂直距离。 学生经历了自我建构力臂概念的过程，体会到“支点到力作用线的垂直距离在平衡中的必要性”。
五、 修正杠杆的平衡条件 【问题设置】：1、杠杆平衡条件应该是什么？2、我们所做的探究实验中，动力臂、阻力臂是哪段？L1刚好等于S1，L2刚好等于S2。3、杠杆处于下面所示的静止位置，也叫平衡状态（杠杆静止或匀速转动，我们都称为平衡态），都满足杠杆的平衡条件，为什么做实验时，不使杠杆在倾斜位置平衡呢？ 生：是动力与动力臂的乘积等于阻力与阻力臂的乘积F1×L1＝F2×L2 思考并回答（也可课下思考）
六、小结 应用结论 改进杆秤 了解了杠杆的平衡条件，说说你在制作和改进杆秤时所采取那些方法的道理。利用所学解决实际问题。 思考，发表自己的想法（时间紧，也可放到课下思考）
作业 1. 完善杆秤制作2. 学案测评题
七、学习效果评价设计
评价内容（见后面评价题）
(1)学生对问题和实验的感兴趣程度。
(2)学生在实验探究过程的思维程度。
(3)学生在提问、表达等方面参与课堂的积极程度。
(4)学生讨论和测评题的正答情况








八、板书设计
第二节 学生实验——探究杠杆
一、实验探究




影响因素：F1、S1、F2、S2
探究问题：F1、S1一定时，F2与S2是什么关系？
猜想：
结论： ；
；
。
二、杠杆的平衡条件
F1×L1＝F2×L2











九、附：实验探究学案、测评及作业
第二节：学生实验——探究杠杆的平衡
一、提出一个可探究的问题：
。
二、猜想：杠杆平衡时， 。
三、设计实验
? 实验器材：铁架台、杠杆（有刻度）、测力计（量程5N）、50g×10勾码一盒。
? 1.自变量是 ，因变量是 ，
控制变量是 。
2.怎么改变自变量？怎么测量？
3.怎么测量因变量？
4.怎么保证控制变量不变？
四、实验设计表格
F1= ，S1= 。
S2/cm
F2/N
五、结论一： 。
? 观察分析：与F1、S1对比，你有什么新发现？
结论二： 。
? 提出新的可探究的科学问题： 。
? 实验记录表格：
F1/N
S1/cm
F1×S1/ N ? cm
F2/N
S2/cm
F2×S2/ N ? cm







结论三： 。
六、杠杆的平衡条件是 。
学习效果评价题
1.杠杆处于下面所示的静止位置，也叫平衡状态（杠杆静止或匀速转动，我们都称为平衡态），都满足杠杆的平衡条件，我们所做的探究实验中，为什么不使杠杆在倾斜位置平衡呢？


2.根据杠杆的平衡条件，说说你是怎样增大杆秤的量程的？ 这样做的道理是什么？



3. 叫力臂；杠杆平衡条件是： 。
4.画出下列图1和2中各力的力臂。






图1 图2
5.两个小孩坐在跷跷板上，恰好处于平衡，此时（ ）
A.两个小孩重力一定相等 B. 两边的力臂与小孩重力的乘积相等
C.两个小孩质量一定相等 D. 两个小孩到支点的距离一定相等
6.小梅在“探究杠杆平衡条件”的实验中，进行了如下操作：
（1）将杠杆悬挂在支点O上，如图3甲所示，要使杠杆在水平位置平衡，需将杠杆左端的平衡螺母向____调节。（填“左”或“右”）
（2）调节平衡后，在杠杆左侧A点挂3个钩码，如图3乙所示，为使杠杆在水平位置重新平衡，需在杠杆右侧B点挂_______个钩码。






（3）若撤掉杠杆B点的钩码，在C点用弹簧测力计沿不同方向施加拉力，当杠杆水平平衡时，拉力大小不同，根据这个现象，提出一个可探究的科学问题：
_________ _ 。
7.在如图4所示的实验装置中，只有8个相同的钩码，杠杆上每格等距，当在A点挂4个钩码时，则
怎样挂钩码可使杠杆在水平位置平衡？（设计至少两种方案）
答：①________________________________________________
②________________________________________________
图4
8.小华通过实验探究杠杆平衡时动力和动力臂的关系。实验过程中，保持阻力、阻力臂不变，在杠杆水平平衡时，测出每一组动力臂L1和动力F1的数据，并利用实验数据绘制了F1与L1的关系图像，如图5所示。请根据图像推算，当L1为0.1m时，F1为 N。









9.实验桌上有一个带支架的杠杆、如图6所示（杠杆的支点为O，杠杆上每一刻度间距均为5cm）一个量程满足要求的弹簧测力计、质量为200g的钩码一个和两段细绳。请利用上述实验器材设计一个实验证明：“在杠杆平衡时，如果阻力和阻力臂保持不变，动力臂越大则动力越小”。
（1）在你所设计的实验中，如果用点A表示钩码作用在杠杆上的位置，用点B、C和D
表示弹簧测力计作用在杠杆上的位置，请在图6中的杠杆上标出点A、B、C和D的位置；
（2）写出主要实验步骤；
（3）画出实验数据记录表格。
















10．如图7所示，绳子OO′悬吊着质量可以忽略不计的杆，在杆的a点挂着重物G，在O右侧某点b处挂上钩码。重物G的质量及a到O的距离不变。要使杆保持水平平衡，图8中能描述b点挂的钩码（各个钩码质量相同）个数和b到O的距离关系的图像是











A B C D

11. 阅读拓展：小弹簧秤称出大象重 杭州动物园上演现代曹冲称象（2001年6月24日北京青年报）
据《杭州日报》报道，“不可能”的奇迹发生了！在一把小小的弹簧秤面前，庞大的大象不情愿地“露”出了它的体重“隐私”：毛重2．4吨。6月22日，老天很不给面子地下起瓢泼大雨，勇敢的“突击手”在克服了诸多不利的自然因素后，经过7个多小时奋战，终于完成了现代版的“曹冲称象”。
记者上午冒雨赶到杭州动物园，称象现场就设在大象馆旁的空地上。一辆吊车、一只特制铁笼、一根十米长的槽钢，这些庞然大物只是辅助工具。真正的“主秤”是一把全市最厉害的弹簧秤，据说此秤能称起20公斤的重量，是专门从计量部门借来的。
天公不作美，但仍有许多市民专程赶来看稀奇。家住武林门的宣凤彩大妈看了下午版的报道，早上6点就和老姐妹结伴来到动物园了。在现场，记者终于“逮”住了那位神秘的“突击手”。简直不敢相信，敢和大象较劲的竟是位戴着眼镜、文质彬彬的书生。他姓周，是杭州一所中学的物理老师。
中午12点，“不可能的任务”摄制组决定冒雨称象。一串香蕉引路，10岁的公象宾律迈着沉重的脚步，缓缓踱进吊在槽钢一头的铁笼，十来个平方大小的铁笼一下子局促起来。据说宾律是大象表演馆里的主力演员，会按摩、吹口琴等绝活儿。
一声令下，吊车慢慢提升，周老师将挂在槽钢另一头的弹簧秤狠命往下拽，尽管使出吃奶的力气，仍险些被吊得腾空而起。宾律在摇摇晃晃上升的铁笼里焦虑地张望。劈啪！铁笼底部的木板被压得“呻吟”起来。“稳住……称出来了！”仅几秒钟，笼子离地几厘米，弹簧秤上就显示出了数字。经计算，大象和铁笼总重3吨，铁笼重0．6吨，大象约重2．4吨。这一数字与驯兽师提供的宾律的实际体重相差无几。尽管整个称象过程磕磕碰碰，一些观众埋怨铁笼吊得不高，看不清，但观测全程的物理专家认定，称象成功。
周老师究竟用了什么方法？他解释说，整个称象过程运用了物理学中的杠杆原理。吊车、槽钢、铁笼和弹簧秤的组合其实就是一把巨型杆秤，弹簧秤起了秤砣的作用。理论上说，只要力臂足够长，用很小的力就能撑起巨大的物体。成功后的周老师豪气冲天：“有句名言：给我一个支点，我能撑起地球。科技的力量无穷，何况称一头小小的大象。”
问题：用画图的方法说说周老师是怎样测出大象质量的呢？


a

b

o′

o

甲

O

a

b

o′

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图7

图8