小学科学教案：《杠杆的科学》教案

小学科学教案：《杠杆的科学》教案

在三年级的科学学习中，学生已经对等臂条件下的平衡有了初步认识，相信学生对杠杆类工具并不太陌生。本课以学生熟悉的“跷跷板”为切入点，引导学生认识杠杆并深入探究其中所蕴含的科学规律及其在生产生活中的应用，激发学生进行深层次科学探究的兴趣。教学目标：1.培养学生善于对周围事物提出问题，并通过动手操作寻找证据进行解释的科学探究能力；能设计控制变量的探究实验；会设计简单的实验记录表格，并运用它采集整理数据、分析和解读数据。2.引导学生体验到科学探究要尊重证据，意识到合作交流的重要性；体会到科学技术与社会、生活是密切联系的；培养乐于探究、大胆想象的意识；知道科学探究可为进一步研究提供新经验、新现象、新方法、新技术；渗透科学与艺术相结合的思想。3.知道利用杠杆可以提高工作效率；了解杠杆在生产生活中的运用。活动准备：1.简单机械盒、支架、杠杆尺、钩码盒、小木块、剪刀、镊子、煤夹子2.多媒体课件活动过程：一、谈话导入新课出示课件，大人和小孩正在玩跷跷板，引导学生提出问题。跷跷板是杠杆，是我们今天要研究的内容。二、活动过程（一）初步认识杠杆出示杠杆图，讲解杠杆的三个点：力点、支点、重点。学生齐声回答并理解。当力点、重点能围绕支点转动时，就是一个杠杆。（二）初步研究杠杆引导学生进行实验，使用钩码盒、杠杆尺、小木块，通过对比手提和使用杠杆撬举重物的感受，观察支点位置和力点大小的变化，发现杠杆的原理。学生分组进行实验和讨论，汇报自己的发现。教师巡视指导。最后，教师询问学生他们进行实验的方式和发现。1.将杠杆轴固定在木支架的竖杆上，然后将杠杆的中心孔套在轴上。接着，调节两端的螺母，使杠杆呈水平状态。2.在杠杆的两个臂上分别挂上钩码或重物，以保持杠杆的平衡。将杆左侧的钩码视为动力，支点到左侧钩码的距离即为动力臂；右侧的钩码视为阻力，右侧钩码到支点的距离即为阻力臂。根据实验结果，当杠杆平衡时，动力臂是阻力臂的几倍，动力是阻力的几分之一。如果动力臂和阻力臂相等，就是等臂杠杆。然而，使用等臂杠杆不会省力。只有当动力臂大于阻力臂时，杠杆才会省力。3.将钩码挂在杠杆的一侧，然后将弹簧秤挂在钩码与支点之间的上方。这时，钩码对杠杆的作用力向下，而弹簧秤对杠杆的拉力向上，但杠杆仍能保持在水平位置。通过改变力和力臂的数值，使杠杆平衡，即可研究这种情况下力和力臂的关系。知识链接：杠杆的应用1.省力和省距离不能同时兼顾。杠杆平衡条件表明，当动力臂大于阻力臂时，动力小于阻力时，是省力杠杆但费距离；当动力臂小于阻力臂时，动力大于阻力时，是费力杠杆但省距离；当动力臂等于阻力臂时，动力等于阻力，既不省力也不费力，也不省距离也不费距离。必须明确，根据杠杆平衡条件，即省力又省距离的杠杆是违反力学原理的，是不存在的。可以设想，如果能给阿基米德“一个立足点和一根足够长的棍”，就能够移动地球。2.各类杠杆的选择原则是根据人力允许的条件，从有利于生产的角度出发。例如，钓鱼竿使用时，要求能够快速将鱼提离水面，因此钓鱼竿是费力省距离的杠杆；汽水瓶扳手使用时，遇到阻力较大，必需使用省力费距离的杠杆。天平利用等臂杠杆两边力大小相等的原理，由砝码数直接得出物体的质量。可见，选择何种杠杆都是根据实际需要来决定的，千万不要误认为使用机械都是为了省力。实验设计：研究杠杆的平衡条件目的：研究杠杆的平衡条件。器材：杠杆及支架，钩码5-6个，弹簧秤，刻度尺，细线。步骤：1.将杠杆支在支架上，并调节杠杆两端的螺母，使杠杆保持水平。2.如图14-10所示，将三个钩码挂在杠杆的两侧（左边2个，右边1个），移动钩码的位置，使杠杆保持水平。将支点左侧的钩码对杠杆的作用力（等于钩码受到的重力）视为阻力，将支点右侧的钩码对杠杆的作用力视为动力。将动力F1、动力臂L1、阻力F2、阻力臂L2的数值填入下表。2.改写每段话：（3）在左侧增加两个钩码，保持位置不变，移动右侧钩码的位置，使杠杆重新平衡，将实验数据填写在下表中。（4）在杠杆两侧挂上相同数量的钩码，移动钩码位置，使杠杆平衡，将测得的力和力臂记录在表中。（5）如图14-11所示，将钩码挂在杠杆一侧，用弹簧秤在同侧竖直向上拉住杠杆，使杠杆平衡。这时，将钩码拉杠杆的力视为阻力，将弹簧秤拉力视为动力，将力和力臂的数据填写在表中。实验动力动力臂阻力阻力臂次数（牛）（厘米）动力×动力臂阻力×阻力臂1234（6）计算出四次实验中动力×动力臂及阻力×阻力臂的数值，比较计算结果，得出结论：杠杆的平衡条件是：力臂的乘积相等。想想议议：如图14-10所示，杠杆平衡后：（1）如果在两侧的钩码增加相同数量的钩码，杠杆能否保持平衡？（2）如果同时将两侧钩码向外侧（或向支点）移动相同距离，杠杆能否保持平衡？通过实验验证你的答案。知识链接：杠杆平衡古希腊科学家阿基米德曾经说过：“给我一个支点，我就能撬起地球。”那么，阿基米德使用的工具是什么呢？如何正确理解力臂的概念？回答：力臂是支点到力的作用线的距离，从几何学角度来看，是“点”到“直线”的距离。需要注意的是，力臂不应被理解为“支点到力的作用点的长度”。如果作用在同一点上的几个力的方向不同，那么它们的力臂一般不同（与杠杆对称的两个力的力臂长短是相同的，可以画图验证）。如果力的作用线通过支点，那么这个力的力臂就一定为零。如何快速判断生活中常见的杠杆是省力的还是费力的？回答：人类发明各种杠杆应用于生活，其目的有三：省力、省距离和改变用力的方向。只是改变力的方向的杠杆通常是等臂杠杆，如天平、定滑轮等。从省力和省距离分析可以简单从下面的方法来判断：同学们进行了一组杠杆实验，得出了动力＋动力臂＝阻力＋阻力臂的平衡条件。然而，这只是一次实验，不能仅凭这一组数据得出结论，需要进行多次实验并进行分析，才能有效地避免结果的偶然性。阿基米德是古希腊时期最早的水泵发明者之一。他在学习数学、天文学和力学的过程中，看到农民拎水的辛苦，开始思考如何让水往高处流。他想到了制作一个大螺旋，并将其放在一个圆筒里，螺旋转动后，水就可以沿着螺旋沟带到高处。他制作了一个泵水工具，并进行了实验，成功地将水泵到了高处。这一发明极大地提高了农田的灌溉效率，改善了农民的生活。农民们被阿基米德发明的螺旋水泵所吸引，称其为阿基米德螺旋泵。这种水泵很快在尼罗河流域和更广阔的地区传播开来，并被一些现代工厂使用来移动流质和粉末。龙骨水车是我国发明的一种抽水工具，据说是东汉灵帝时期由毕岚发明的。它的主要装置是一个木制槽，槽内放置瓦片大小的木块，通过销子连接起来，整体形状像龙的骨架。使用时，人们扶着水车顶端的木架，用脚踩动拐木，带动下面的木块沿着木槽往上移动，从而把水提上岸。之后，木块再往下移动，绕过下端的轴，重新刮水。后来，人们对龙骨水车进行了改进，发明了“畜力龙骨水车”和“水转龙骨水车”。阿基米德是一位公元前287年出生于西西里岛叙拉古城贵族家庭的杰出数学家、工程学家和力学家。他的数学研究专注于圆周、球体和锥体，并写出了多部数学著作。他制作的行星仪能够逼真地表现天体运动，甚至连日月食也能够形象地表现出来。他发明的螺旋提水器至今仍在埃及等地使用。他发明的抛石机曾将罗马军队阻止在叙拉古城外3年之久。他还是静力学创始人，著有多部力学著作，其中系统论证了杠杆原理和浮体定律。阿基米德的名言“给我一个支点，我就能把地球挪动”有着严格的科学根据。阿基米德在《论平面图形的平衡》一书中提出了杠杆原理。他首先将杠杆实际应用中的经验知识当作“不证自明的公理”，然后通过几何学的严密逻辑论证得出了杠杆原理。这些公理包括：（1）在无重量的杠杆的两端离支点相等的距离处挂上相等的重量，它们将平衡；（2）在无重量的杠杆的两端离支点相等的距离处挂上不相等的重量，重的一端将下倾；（3）在无重量的杠杆的两端离支点不相等距离处挂上相等重量，距离远的一端将下倾；（4）一个重物的作用可以用几个均匀分布的重物的作用来代替，只要重心位置保持不变；（5）相似图形的重心以相似的方式分布。阿基米德利用这些公理发现了杠杆原理，即“二重物平衡时，它们离支点的距离与重量成反比”。阿基米德不仅停留在理论方面，还根据杠杆原理进行了一系列的发明创造。据说，他曾经借助杠杆和滑轮组，使停放在沙滩上的桅般顺利下水。在保卫叙拉古免受罗马海军袭击的战斗中，阿基米德利用杠杆原理制造了远、近距离的投石器，利用它射出各种飞弹和巨石攻击敌人，曾把罗马人阻于叙拉古城外达3年之久。据传，阿基米德曾说：“给我一个支点，我就能撬起地球。”他认识到，利用杠杆可以用最小的力撬起重物。只需将这个力放在杠杆的长臂上，让短臂对重物起作用。因此，他想到，如果用力压一根足够长的杠杆臂，他的手就能够举起质量相当于地球的重物。然而，如果这位古代力学家知道地球的质量有多大，他也许就不会如此夸口了。假设阿基米德真的找到了另一个地球做支点，再设想他也做成了一根够长的杠杆。你能想象他得用多少时间才能把质量等于地球的一个重物撬起。阿基米德举起60公斤的重物轻而易举，