黃蕭

探究杠桿的平衡條件實(shí)驗(yàn)一直是近幾年中考考查的重點(diǎn)之一，探究過程中需要注意什么問題？怎樣科學(xué)探究出結(jié)論？利用這個(gè)結(jié)論可以解決什么問題？下面針對以上問題進(jìn)行簡單剖析。

一、實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)

在探究杠桿的平衡條件實(shí)驗(yàn)過程中需要注意以下幾點(diǎn)：（1）選擇粗細(xì)均勻且支點(diǎn)在杠桿中心的杠桿的目的是避免杠桿自重對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響;（2）實(shí)驗(yàn)過程中杠桿始終保持水平位置平衡的目的是便于測量力臂;（3）對杠桿平衡的調(diào)節(jié)符合“左高左旋，右高右旋”的原則;（4）實(shí)驗(yàn)過程中需要記錄多組數(shù)據(jù)的目的在于避免實(shí)驗(yàn)的偶然性，使實(shí)驗(yàn)得出的規(guī)律具有普遍性;（5）實(shí)驗(yàn)過程中通過改變杠桿兩端鉤碼數(shù)量來改變作用力大小，或利用彈簧測力計(jì)代替鉤碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)彈簧測力計(jì)拉力方向從豎直拉杠桿變成傾斜拉杠桿時(shí)，拉力的力臂變短，彈簧測力計(jì)的示數(shù)變大;（6）杠桿平衡條件（杠桿平衡原理）：動(dòng)力 × 動(dòng)力臂 = 阻力 × 阻力臂，用公式表示為 [F1l1=F2l2]。

二、實(shí)驗(yàn)拓展

對于本實(shí)驗(yàn)需要補(bǔ)充以下兩點(diǎn)。（1）對杠桿平衡中“平衡”的理解：杠桿靜止或勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在探究杠桿平衡過程中（杠桿水平），不允許再調(diào)節(jié)杠桿兩端的平衡螺母，否則會(huì)破壞杠桿原來的水平平衡。（2）實(shí)驗(yàn)中杠桿處于平衡狀態(tài)時(shí)，如果杠桿兩端同時(shí)增加（或減?。┫嗤牧?，杠桿將不再平衡，力臂長（或短）的一端將下沉;杠桿處于平衡時(shí)，將作用點(diǎn)向支點(diǎn)同時(shí)移動(dòng)相同的距離，原來力臂長的一端將下沉;將作用點(diǎn)同時(shí)遠(yuǎn)離支點(diǎn)移動(dòng)相同的距離，原來力臂短的一端將下沉。

備注：對于（2）中杠桿平衡下的非平衡問題，可以采用“特殊值”法進(jìn)行驗(yàn)證。

三、典例精析

例1（2020·四川·眉山）如圖1是小明“探究杠桿平衡條件”實(shí)驗(yàn)，選用的實(shí)驗(yàn)器材有：刻度均勻的杠桿、支架、彈簧測力計(jì)、刻度尺、細(xì)線和質(zhì)量相同的0.5 N鉤碼若干個(gè)。

（1）如圖A所示，此時(shí)的杠桿 （選填“是”或“不是”）平衡狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)時(shí)為了消除杠桿自重對杠桿平衡的影響，且便于直接從杠桿上讀出力臂的大小，應(yīng)將杠桿調(diào)到 。

（2）小明同學(xué)所在實(shí)驗(yàn)小組完成一次操作后，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖B所示，他們記錄的數(shù)據(jù)為動(dòng)力F1=1.5 N，動(dòng)力臂l1=0.2 m，阻力F2=1 N，阻力臂l2=0.3 m。甲同學(xué)測出了這組數(shù)據(jù)后就得出了“動(dòng)力 × 動(dòng)力臂=阻力 × 阻力臂”的結(jié)論，乙同學(xué)認(rèn)為他的結(jié)論不一定科學(xué)，理由是 。他把右邊的鉤碼換成彈簧秤，使杠桿從水平位置慢慢轉(zhuǎn)過一定角度，如圖C所示，此過程中，彈簧秤拉力的大小 （選填“變大”、“變小”或“不變”）。

（3）圖B實(shí)驗(yàn)中，小明把兩邊的鉤碼同時(shí)遠(yuǎn)離支點(diǎn)一格，杠桿不再平衡， （選填“左”或“右”）端會(huì)下沉。小明回家又做了圖D的探索，將一根長為L、重為G的均勻木棒的[15]伸出桌子邊緣，用豎直向下的力F0壓木棒的一端，當(dāng)F0= 時(shí)，木棒剛好會(huì)被翹起。

解析：（1）對杠桿平衡的準(zhǔn)確理解為：杠桿只要處于靜止或勻速轉(zhuǎn)動(dòng)都是平衡狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)時(shí)需要將支點(diǎn)選在杠桿中心，且調(diào)到水平位置平衡，這樣不僅可以消除杠桿自重對杠桿平衡的影響，而且便于直接讀出力臂。

（2）實(shí)驗(yàn)中僅由一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就得出[F1l1=F2l2]的結(jié)論是不科學(xué)的，因?yàn)橐唤M實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)太少，具有偶然性，不便找出普遍規(guī)律。如圖C所示，利用彈簧秤使杠桿從水平位置慢慢轉(zhuǎn)過一定角度，根據(jù)杠桿平衡條件[F1l1=F2l2]得：F2 = [l2l1]F1，由于杠桿在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中[l2l1]與F2不變，所以彈簧秤拉力大小不變。

（3）如圖B，設(shè)杠桿上每一小格長度為[l]，將兩邊鉤碼同時(shí)遠(yuǎn)離支點(diǎn)一格后，杠桿左邊為[F1l1] = 3 × 0.5 N × 5[l] = l × 7.5 N，杠桿右邊為[F2l2] = 2 × 0.5 N × 7l = l × 7 N，即[F1l1>F2l2]，杠桿向左端下沉。

如圖1D，根據(jù)題意可知，要使木棒剛好會(huì)被翹起，可將杠桿支點(diǎn)定義為桌子邊緣，根據(jù)杠桿平衡條件得[F1l1=F2l2]，代入數(shù)據(jù)F0 × [L5] = G [L2-L5]，解得：F0 = 1.5G。

答案：（1）是 水平位置平衡 （2）一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)太少，具有偶然性，不便找出普遍規(guī)律 不變? ?（3）左 1.5G

四、能力提升

在探究杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)時(shí)如果支點(diǎn)不在杠桿中心，將不能準(zhǔn)確得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，這主要是因?yàn)楦軛U的自重影響了測量結(jié)果，如果這時(shí)記錄多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以粗略估測杠桿自重。

例2 如圖2所示，在“探究杠桿平衡條件”實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)小組選用長1.6 m、粗細(xì)均勻的金屬桿，繞O點(diǎn)在豎直平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)將一個(gè)拉力—位移傳感器豎直作用在桿上，并使杠桿在水平位置始終保持平衡，該傳感器顯示拉力F的作用點(diǎn)到O點(diǎn)距離x的變化關(guān)系如圖3所示，由圖可知杠桿重 N。

答案：10

（作者單位：蘇州高新區(qū)實(shí)驗(yàn)初級中學(xué)）