再談彈簧測力計(jì)使用前的校零

吉臨榮

摘 要：本刊2017年第1期刊載了陳寶軍和周同仕兩位老師的文章《例析彈簧測力計(jì)使用前的校零》[1]，文中提出了“用彈簧測力計(jì)測不同方向的拉力時(shí)，也應(yīng)在相應(yīng)的方向上校零”和彈簧測力計(jì)秤鉤倒掛時(shí)可用“直接校零”和“互拉法”校零的觀點(diǎn).筆者在本文中從受力分析的角度對(duì)彈簧測力計(jì)使用前的兩種校零方法適用范圍提出異議，同時(shí)解決物理老師在教學(xué)過程中存在的幾個(gè)疑難問題.

關(guān)鍵詞：彈簧測力計(jì)；不同方向使用；直接校零；“互拉法”校零

《中學(xué)物理》2017年第1期（P34～36）刊載了陳寶軍和周同仕兩位老師的文章《例析彈簧測力計(jì)使用前的校零》，文中歸納了用彈簧測力計(jì)測豎直向上、水平方向、豎直向下、斜向下方向上的拉力的校零方法，提出了“用彈簧測力計(jì)測不同方向的拉力時(shí)，也應(yīng)在相應(yīng)的方向上校零”的做法，解決了長期以來多數(shù)物理教師認(rèn)為“不論測什么方向拉力，只需要在豎直方向上一次校零”的錯(cuò)誤做法，對(duì)教師的教學(xué)有一定的指導(dǎo)價(jià)值.

原文中在用秤鉤倒掛的彈簧測力計(jì)測豎直向下的拉力時(shí)，提出了可“直接校零”和“互拉法”校零，并在“探究杠桿平衡條件”實(shí)驗(yàn)中將兩種校零方法進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，從而得出“用‘互拉法校零誤差極小”的結(jié)論.有些老師問，彈簧測力計(jì)在同樣情況下使用，兩種校零方法為什么會(huì)帶來差異呢？帶著此問題，筆者從受力分析的角度對(duì)彈簧測力計(jì)使用前的校零問題進(jìn)行了再思考.其中有關(guān)“直接校零”和“互拉法”校零的觀點(diǎn)與陳寶軍和周同仕兩位老師的看法不完全相同，供大家商討.

1 彈簧測力計(jì)使用前如何校零

校零是測量工具在使用前使指針指在零刻度線上的過程.彈簧測力計(jì)是測量力的大小的工具，在使用前會(huì)因某些因素的影響使指針不在零刻度線，常采用微調(diào)刻度板位置的方法使指針回到零刻度線.那么，除了刻度盤自身位置的原因，還有哪些因素導(dǎo)致彈簧測力計(jì)的指針不在零刻度線上呢？

1.1 測水平方向的拉力

如圖1，此時(shí)彈簧的自身重力方向豎直向下，對(duì)彈簧的伸長沒有影響，彈簧處于自然伸長狀態(tài).

校零方法可用“直接校零”法，具體操作有兩種.一是原文提及的“將彈簧測力計(jì)平放在水平桌面上，拉動(dòng)秤鉤和拉環(huán)，并逐漸撤消拉力，使秤鉤和拉環(huán)都處于彈簧軸線上，彈簧自然伸展時(shí)，觀察指針，調(diào)節(jié)刻度盤，使指針指在零刻度線處”；二是手拿彈簧測力計(jì)的外殼在水平方向平放，使彈簧測力計(jì)中的彈簧在水平方向上，用手指多次彈振彈簧測力計(jì)的外殼，減少因秤鉤、金屬桿的重力作用與外殼之間的摩擦影響彈簧的自由伸展，再調(diào)節(jié)刻度盤，使指針對(duì)準(zhǔn)零刻度線上.這兩種校零方法相比較是前一種方法好些.

水平方向的校零在初中物理探究滑動(dòng)摩擦力大小的影響因素和估測大氣壓的實(shí)驗(yàn)中用到.

1.2 測豎直方向的拉力

測豎直方向的拉力又可分為兩種情況.一是測豎直向上的拉力，二是測豎直向下的拉力.

1.2.1 測豎直向上的拉力

此時(shí)，彈簧測力計(jì)的吊環(huán)在上、掛鉤朝下，如圖2.彈簧在自身重力和秤鉤的重力作用下，會(huì)向下伸長一小段長度.

這是最典型的、常用的“直接校零”法，也是學(xué)生必須學(xué)會(huì)的校零方法.具體操作是用手拿住彈簧測力計(jì)的外殼或吊環(huán)，使彈簧測力計(jì)的彈簧在豎直方向上受秤鉤和金屬桿的重力作用下自然伸長，然后上下微調(diào)刻度盤，使指針對(duì)準(zhǔn)零刻度線即可.

從理論上分析，如果彈簧測力計(jì)在水平方向上校零后再豎直方向使用，指針會(huì)向下移動(dòng)一小段刻度，此時(shí)需要向下移動(dòng)刻度盤再校零.反之，彈簧測力計(jì)在豎直方向上校零后再水平方向使用，指針將回縮到零刻度上方，需要向吊環(huán)方向移動(dòng)刻度盤再校零.從實(shí)際上看，這兩者的偏差比較小.

這種校零方法在初中物理測量物體的重力、測量動(dòng)滑輪的拉力（如圖3）、探究杠桿的平衡條件（如圖4情形）實(shí)驗(yàn)中用到.在測量物體的重力實(shí)驗(yàn)中，重力的方向是豎直向下的，根據(jù)二力平衡條件，物體豎直向下的重力等于彈簧測力計(jì)向上的拉力，所以測量物體的重力屬于測量豎直向上拉力的類型.

1.2.2 測豎直向下的拉力

此時(shí)，彈簧測力計(jì)的吊環(huán)在下、掛鉤朝上，如圖5.彈簧測力計(jì)中的彈簧上下端位置對(duì)調(diào)，由彈簧的B點(diǎn)受到拉力作用變?yōu)閺椈傻腁點(diǎn)受到拉力作用.彈簧測力計(jì)中的彈簧在自身重力的作用下和彈簧A點(diǎn)受到彈簧測力計(jì)的外殼（包括吊環(huán)）的重力作用下已有明顯的伸長.

這種情況下彈簧測力計(jì)如何校零呢？關(guān)鍵要看測量什么力.

如果要測量吊環(huán)受到人手向下的拉力，那么可采用“直接校零”.即在此情況下，用手拿住彈簧測力計(jì)的外殼，直接移動(dòng)刻度盤，使指針指在零刻度線上.當(dāng)然，有些彈簧測力計(jì)的刻度盤移動(dòng)范圍會(huì)受到限制，而且這種情況在初中物理實(shí)驗(yàn)中沒有涉及到.

如果要測量掛鉤向下的拉力，那么就不能采用“直接校零”，而必須采用物理教師教學(xué)用書（9年級(jí)下冊(cè)） [2]中介紹的“互拉法”校零.具體操作是先將彈簧測力計(jì)甲在吊環(huán)在上、掛鉤朝下時(shí)校零，再將待用的彈簧測力計(jì)乙吊環(huán)在下、掛鉤朝上，按如圖6豎直方向放置，秤鉤相掛互拉，在豎直方向拉到某一數(shù)值時(shí)，調(diào)節(jié)彈簧測力計(jì)乙的刻度盤，使其指針的示數(shù)與彈簧測力計(jì)甲的示數(shù)相等.

這種校零方法在初中物理測量定滑輪的拉力、測定滑輪組的機(jī)械效率、探究杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)中用到；上述實(shí)驗(yàn)中都是測量掛鉤對(duì)繩向下的拉力，所以都只能用“互拉法”校零.

從圖7可看出，彈簧測力計(jì)甲所測量的力是彈簧測力計(jì)乙自身的重力和吊環(huán)受到人手向下的拉力. 進(jìn)一步分析也可知道，測豎直向下的拉力時(shí)，“直接校零”和“互拉法”校零的根本區(qū)別是所測的力不同，彈簧測力計(jì)“直接校零”后是測量吊環(huán)受到人手向下的拉力，而“互拉法”校零后是測量掛鉤向下的拉力.這里特別要強(qiáng)調(diào)區(qū)分的是“吊環(huán)受到人手向下的拉力”和“掛鉤向下的拉力”，若設(shè)“吊環(huán)受到人手向下的拉力”為F1，“掛鉤向下的拉力”為F2，彈簧測力計(jì)自身的重力為G，

它們之間的關(guān)系是F2= F1+G. 由于“互拉法”校零刻度盤移動(dòng)范圍有時(shí)也會(huì)受到彈簧測力計(jì)種類的限制，根據(jù)上述分析，有一種比“互拉法”校零更簡便、更實(shí)用的測量操作，先將彈簧測力計(jì)甲和乙都在吊環(huán)在上、掛鉤朝下時(shí)校零，并用彈簧測力計(jì)甲測出彈簧測力計(jì)乙的重力G；再將彈簧測力計(jì)乙吊環(huán)在上、掛鉤朝下放置，如圖8所示，最后所測拉力大小就等于彈簧測力計(jì)乙的讀數(shù)加上彈簧測力計(jì)乙的重力G.

2 在教學(xué)過程中的幾個(gè)疑難問題

（1）在探究杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)中，彈簧測力計(jì)自身有重力，對(duì)杠桿也有向下的拉力作用，而且產(chǎn)生的力矩對(duì)杠桿的平衡肯定有影響.在實(shí)驗(yàn)過程中為什么不去考慮消除彈簧測力計(jì)自身重力對(duì)杠桿平衡的影響，而要去考慮彈簧測力計(jì)的校零呢？

通過1.2.2中受力分析可以看出，用彈簧測力計(jì) “互拉法”校零后測出的拉力是吊環(huán)受到手向下的拉力和彈簧測力計(jì)自身重力的和，實(shí)際上就是考慮了彈簧測力計(jì)的重力對(duì)杠桿平衡的影響，使實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)更加可靠.

（2）同樣是彈簧測力計(jì)倒置后校零，實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該是一樣的.為什么兩種校零方法在探究杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)中還存在較大誤差呢？

通過1.2.2中受力分析可以看出，在探究杠桿平衡的條件實(shí)驗(yàn)中不應(yīng)該采取“直接校零”，而應(yīng)該采用“互拉法”校零，兩者的區(qū)別前者測量的是“吊環(huán)受到人手向下的拉力”，后者測量的是“掛鉤向下的拉力”，兩種校零方法的差值是彈簧測力計(jì)的秤鉤的重力.

其實(shí)原文中提供的測量數(shù)據(jù)本身也表明“直接校零”誤差較大，不可取.

表格中數(shù)據(jù)是使用分度值為0.1N的彈簧測力計(jì)測得的，從表格中數(shù)據(jù)可知，用“互拉法”校零測量的數(shù)據(jù)得到杠桿的平衡條件更具有說服力.進(jìn)一步分析表一和表二中彈簧測力計(jì)F2的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，其差值在0.15～0.09N之間，考慮測量誤差，這個(gè)差值趨于一個(gè)固定值，即為彈簧測力計(jì)秤鉤的重力.

（3）“直接校零”和“互拉法”校零各適用于哪些情況？

“互拉法”校零是以先將一只彈簧測力計(jì)“直接校零”后為前提，再對(duì)另一只彈簧測力計(jì)采用的校零方法.

若彈簧測力計(jì)在水平方向使用，已在水平方向用“直接校零”的一只彈簧測力計(jì)，再在水平方向用“互拉法”校零另一只彈簧測力計(jì)，沒有必要.

若用彈簧測力計(jì)測量豎直向上的拉力時(shí)，采用“直接校零”，而不采用“互拉法”校零.測量豎直向下的拉力時(shí)，常采用“互拉法”校零或本文中介紹的補(bǔ)償彈簧測力計(jì)自身重力的測量方法.

若用彈簧測力計(jì)測量沿斜面方向的拉力時(shí)，也分兩種情況校零.如果測量沿斜面向上的拉力，采用“直接校零”，將彈簧測力計(jì)沿斜面方向放置，吊環(huán)在上、掛鉤在下，使彈簧自然伸展，調(diào)節(jié)刻度盤，使指針指在零刻度線上.如果測量沿斜面向下的拉力，就采用“互拉法”校零，先將彈簧測力計(jì)甲吊環(huán)在上、掛鉤朝下沿斜面方向放置好校零，再將待用的彈簧測力計(jì)乙吊環(huán)在下、掛鉤朝上沿斜面方向放置，秤鉤相掛互拉，在豎直方向拉到某一數(shù)值時(shí)，調(diào)節(jié)彈簧測力計(jì)乙的刻度盤，使其示數(shù)與彈簧測力計(jì)甲的示數(shù)相等即可.

（4）在平時(shí)教學(xué)中，彈簧測力計(jì)使用前的校零需要教學(xué)到什么深度？

彈簧測力計(jì)在使用前的校零問題，對(duì)于教師和學(xué)生而言，教與學(xué)的深度各有所不同.

對(duì)于學(xué)生而言，在學(xué)會(huì)彈簧測力計(jì)測量豎直向上的拉力時(shí)采用“直接校零”的前提下，進(jìn)一步“知道彈簧測力計(jì)在什么方向上使用，就必須在什么方向上校零”就可以了.其它校零方法已超出了初中生學(xué)習(xí)的范圍，在測量定滑輪的拉力、滑輪組機(jī)械效率和探究杠桿平衡條件等實(shí)驗(yàn)中，常采用增加鉤碼的重力以減小彈簧測力計(jì)自身重力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，因?yàn)殂^碼的越重，彈簧測力計(jì)的示數(shù)就越接近掛鉤向下的拉力，這種忽略次要因素法便于學(xué)生學(xué)習(xí)主要內(nèi)容.另一方面，學(xué)生實(shí)驗(yàn)室使用的彈簧測力計(jì)本身制作工藝簡單、測量數(shù)值的準(zhǔn)確度也較低.2017年1月，無錫市九年級(jí)期末教學(xué)質(zhì)量抽測卷第26題對(duì)彈簧測力計(jì)的校零考查就恰到好處.題目（內(nèi)容有刪減）：

小明和小華利用如圖9所示的裝置來探究“杠桿的平衡條件”.

（1）小明對(duì)如圖9甲的彈簧測力計(jì)進(jìn)行調(diào)零，然后測出1個(gè)鉤碼重為0.5N.

（2）如圖9乙，小華在杠桿A點(diǎn)掛上3個(gè)同樣的鉤碼，小明將彈簧測力計(jì)倒置后，在杠桿B點(diǎn)豎直向下拉住杠桿，小華提醒小明彈簧測力計(jì)需要再次調(diào)零，小明認(rèn)為已經(jīng)調(diào)零了，不需要再次調(diào)零，你認(rèn)為 （ 選填“小明”或“小華”）的想法是正確的.

對(duì)教師而言，“要給學(xué)生一杯水，教師要擁有一桶水”.不但要知道彈簧測力計(jì)測不同方向力的具體校零方法，而且要知道采用這種方法的原因.2016年12月，在無錫市初中物理教師實(shí)驗(yàn)操作技能比賽中，就出了這樣一道實(shí)驗(yàn)操作題，考查教師對(duì)教材解讀能力和實(shí)驗(yàn)操作能力.

探究杠桿平衡條件

【供選器材】鐵架臺(tái)、杠桿，彈簧測力計(jì)2只，鉤碼一盒.

【要求】探究杠桿的平衡條件，設(shè)計(jì)表格記錄結(jié)果.

【評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)】（部分）

（1）彈簧測力計(jì)調(diào)零（1分）.

（2）知道分別采用改變動(dòng)力臂、阻力臂、阻力來測得三組數(shù)據(jù)（2分）.“采用兩邊掛鉤碼的方式”獲得數(shù)據(jù)不得分.

筆者說明：在測量鉤碼重力時(shí)需要采用“直接校零”；在測量向下拉力時(shí)，需要采用“互拉法”校零或本文中介紹的補(bǔ)償彈簧測力計(jì)自身重力的測量方法，器材中提供了兩只彈簧測力計(jì)目的就是此.另外，蘇科版九年級(jí)物理教材上冊(cè)2015年版本已將“采用兩邊掛鉤碼的方式”改為“左端掛鉤碼、右端用彈簧測力計(jì)向下拉的方式”，如圖10，此要求考查教師對(duì)教材的解讀能力.

以上淺見，供同仁參考.

參考文獻(xiàn)：

[1]陳寶軍，周同仕.例析彈簧測力計(jì)使用前的校零[J].中學(xué)物理.2017（1）：34～36.

[2]劉炳昇，李容.物理教師教學(xué)用書（9年級(jí)下冊(cè)）[M]江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社.2013（06）：6.