單個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的倒掛校零

孫桂華

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校 江蘇 南京 210000)

彈簧測(cè)力計(jì)是以胡克定律為基礎(chǔ)、利用彈簧彈性形變和外力的關(guān)系設(shè)計(jì)制作出來的一種常用測(cè)力計(jì)，它不僅可以用來測(cè)量重力，還可以測(cè)量拉力、摩擦力……在蘇科版《物理》教材八年級(jí)下冊(cè)第八章第一節(jié)介紹了彈簧測(cè)力計(jì)的原理、結(jié)構(gòu)以及使用方法，其中教材信息快遞中關(guān)于彈簧測(cè)力計(jì)校零問題是這樣提出的：測(cè)量前，應(yīng)檢查指針是否指在“0”刻度線上，若不在，應(yīng)校正“0”點(diǎn).如何校正，教材中并沒有明確給出方法，學(xué)生也僅僅是根據(jù)自己的前概念來理解校零.然而校零的正確性在一定程度上關(guān)系到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此校零問題必須引起師生重視.那么，在不同條件下測(cè)不同的力該如何校零呢？

(1)測(cè)水平方向拉力時(shí)，直接采用水平校零法

水平放置彈簧測(cè)力計(jì)，固定拉環(huán)，沿軸線方向多次拉動(dòng)秤鉤再撤銷拉力，讓彈簧處于自然伸展?fàn)顟B(tài)，再調(diào)刻度盤，使指針指向零刻度線處即可.此時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)自身所受重力對(duì)示數(shù)沒有影響.教材中需要彈簧測(cè)力計(jì)水平校零的實(shí)驗(yàn)有：探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素，用彈簧測(cè)力計(jì)勻速拉動(dòng)木塊使其做勻速直線運(yùn)動(dòng)，然后通過測(cè)拉力間接得出滑動(dòng)摩擦力大小，估測(cè)大氣壓數(shù)值等.

(2)測(cè)豎直向上的拉力時(shí)，可以采用直接校零法

使彈簧測(cè)力計(jì)豎直放置，此時(shí)彈簧自身的重力與待測(cè)拉力的方向相反，只要通過上下微調(diào)刻度盤使指針重新指在零刻度線處，以此規(guī)避彈簧自身重力帶來的影響.測(cè)物體所受重力、探究動(dòng)滑輪工作時(shí)動(dòng)滑輪的拉力等實(shí)驗(yàn)中是采用直接校零法的.

(3)在測(cè)豎直向下的拉力時(shí)，因?yàn)閺椈勺陨碇亓εc待測(cè)拉力同方向，則需要采用“互拉法”校零

圖1 互拉法校零

取兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)，先對(duì)甲彈簧測(cè)力計(jì)直接校零，再將兩彈簧測(cè)力計(jì)秤鉤互掛,如圖1所示，讀出甲彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)，調(diào)節(jié)乙彈簧測(cè)力計(jì)的刻度盤使其示數(shù)與甲的示數(shù)相等，用倒掛調(diào)節(jié)好的乙彈簧測(cè)力計(jì)即可測(cè)量豎直向下的拉力.教材中探究杠桿平衡條件、探究定滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)這兩個(gè)部分都涉及到彈簧測(cè)力計(jì)倒掛校零問題.

前兩種校零方式學(xué)生易于理解且操作簡(jiǎn)便，是學(xué)生必須掌握的基本操作技能.而第三種“互拉式”校零相對(duì)來說原理復(fù)雜，學(xué)生不易真正理解其中的原理.筆者發(fā)現(xiàn)教師在引導(dǎo)學(xué)生探究杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般都會(huì)用鉤碼代替彈簧測(cè)力計(jì)(圖2).這樣的確可以避免用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)豎直向下的拉力時(shí)的校零問題，但接下來學(xué)習(xí)“探究定滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)”時(shí)，學(xué)生可能面對(duì)校零問題不知所措，可見“互拉式”校零法必須透徹理解并且熟練掌握.

圖2 探究杠桿平衡條件示意圖

那么“互拉式”校零法的基本原理是什么呢？筆者將通過一個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)來說明：將彈簧測(cè)力計(jì)倒掛于杠桿上，并使其處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)杠桿對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)秤鉤的作用力與彈簧測(cè)力計(jì)自身所受的重力大小相等、方向相反.如果此時(shí)手對(duì)拉環(huán)再施加一個(gè)拉力，且整個(gè)裝置保持靜止，那么杠桿對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)秤鉤拉力的大小應(yīng)該等于手對(duì)拉環(huán)的拉力與彈簧測(cè)力計(jì)的自重之和.通過“互拉法”校零，其實(shí)質(zhì)就是用甲彈簧測(cè)力計(jì)直接測(cè)出乙彈簧測(cè)力計(jì)的自重，這樣將乙彈簧測(cè)力計(jì)的零刻度線調(diào)至該自重?cái)?shù)值，相當(dāng)于減去了彈簧測(cè)力計(jì)的自重，使得手對(duì)拉環(huán)的拉力直接等于杠桿對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)秤鉤的拉力，而這個(gè)力的大小恰恰可以由此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)讀出.但是采用這樣的校零方式需要兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)，這對(duì)學(xué)生的思維能力是一個(gè)巨大的考驗(yàn)，這主要是因?yàn)閷W(xué)生的前概念中都是只使用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)就可以完成校零和測(cè)量工作，那么能否實(shí)現(xiàn)一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)倒掛校零呢？

首先，我們要了解一下彈簧測(cè)力計(jì)的結(jié)構(gòu)：彈簧、秤鉤、指針和刻度盤(外殼)，當(dāng)?shù)箳煸诟軛U上時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的自重包括彈簧、秤鉤、指針和外殼的重量，要想使手對(duì)拉環(huán)的拉力等于杠桿對(duì)秤鉤的拉力，校零的第一步就是要將彈簧測(cè)力計(jì)所有自重測(cè)量出來，所以校零問題就是,“如何用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)自重？”筆者認(rèn)為可以將彈簧測(cè)力計(jì)拆開來分析，彈簧水平放置時(shí)處于自然伸展?fàn)顟B(tài),如圖3所示，當(dāng)它豎起來放置，手提拉環(huán)時(shí),如圖4所示，秤鉤和彈簧的自重使得彈簧伸長(zhǎng)產(chǎn)生彈力，彈力F1大小就等于彈簧重和秤鉤重；當(dāng)它豎起來倒置，手提秤鉤,如圖5所示，彈簧外殼和彈簧自重使得彈簧伸長(zhǎng)，彈力F2的大小就等于彈簧重和彈簧測(cè)力計(jì)外殼重，然后將兩次彈力示數(shù)相加，F(xiàn)示數(shù)=F1+F2=G彈簧+G秤鉤+G彈簧+G外殼，在這過程中發(fā)現(xiàn)彈簧自重測(cè)量了兩次，如果按這個(gè)示數(shù)校零，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏小.

圖3 水平放置的彈簧處于自然伸展?fàn)顟B(tài)

圖4 手提拉環(huán)將彈簧豎直放置

圖5 將彈簧豎起倒置

在完成測(cè)量外殼自重的實(shí)驗(yàn)中，如何避免彈簧自重導(dǎo)致的二次伸長(zhǎng)呢？為解決這個(gè)問題，首先一定不能將彈簧水平放置并自然伸展，而應(yīng)該豎直放置并使其自然伸長(zhǎng).我們可以直接將彈簧豎直倒立放置(秤鉤在上，拉環(huán)在下)，用手拿住彈簧測(cè)力計(jì)的外殼，讓秤鉤和彈簧自然豎直放置.此時(shí)，彈簧上端與秤鉤相連，下端與拉環(huán)相連，測(cè)力計(jì)外殼的重力與手提供的支持力相互平衡，所以此時(shí)測(cè)力計(jì)中的彈簧在自身重力作用下自然伸長(zhǎng)，此時(shí)測(cè)力計(jì)示數(shù)為彈簧的重力.直接移動(dòng)刻度盤，使指針指在零刻度線上，完成對(duì)彈簧自重的校零.再手提秤鉤，外殼的自重引起彈簧伸長(zhǎng)，此時(shí)的示數(shù)即為外殼的重力G外殼.將前后兩次的測(cè)量示數(shù)相加，F(xiàn)=F1+G外殼=

G彈簧+G秤鉤+G外殼，就測(cè)量出了整個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的自重.最后只需在操作中將彈簧測(cè)力計(jì)倒掛好，調(diào)節(jié)彈簧測(cè)力計(jì)的刻度盤使其示數(shù)等于上面測(cè)出來的3個(gè)重力之和F示數(shù)，這樣即可直接測(cè)量豎直向下的拉力.利用單個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)倒掛校零,這個(gè)難題也就迎刃而解了.

從筆者探索解決單個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)倒掛調(diào)零問題的過程可見，正如陳國(guó)棟教授所說：教師所從事的教學(xué)是改造社會(huì)的輸出過程，要給學(xué)生一碗水，自己要有一桶水，并且是新鮮的，要及時(shí)更換桶中的水，這就要求教師不斷充實(shí)自己知識(shí)儲(chǔ)備，不能固守成規(guī).在平時(shí)的教學(xué)過程中，課本會(huì)介紹一些儀器的工作原理，但在使用過程中還會(huì)遇到很多細(xì)節(jié)的問題，要解決這些問題一定要認(rèn)真研讀儀器的使用說明，并結(jié)合使用原理進(jìn)行分析，否則就可能產(chǎn)生一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)并會(huì)伴隨著整個(gè)教學(xué)活動(dòng).南京市鼓樓區(qū)在考核教師實(shí)驗(yàn)基本操作時(shí)就提出了單個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)倒掛校零的問題.如果教師在平時(shí)的教學(xué)過程中多思考、多總結(jié)儀器在不同情況下的使用技巧，多揣摩在教學(xué)實(shí)踐中遇到的具體問題，那么就可以最大限度地拓展儀器的使用空間,達(dá)到最佳教學(xué)效果.

1 吉臨榮.再談彈簧測(cè)力計(jì)使用前的校零.中學(xué)物理,2017(6):36

2 劉炳昇.物理教師教學(xué)用書(9年級(jí)上冊(cè)).南京：江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社，2013.6