物理實驗中如何減少測量力的誤差

徐錦新

（江蘇省高郵市城北中學，江蘇高郵 225600）

引 言

彈簧測力計使用方法可以概括為：先選擇合適的彈簧測力計，注意其量程和分度值；再在所測力的方向上調零，所測力的方向要與彈簧測力計的軸線在同一直線上；在測量前先來回拉幾下，使用時不能讓彈簧測力計的指針與刻度盤摩 擦[1]。這是初中物理教材上對正確使用彈簧測力計的方法總結，但按以上操作，就一定能準確測量彈簧測力計拉力的大小嗎？下面筆者談談如何在物理實驗中減少測量力的誤差。

一、彈簧測力計豎直使用，不一定需要重新調零

豎直方向測量力的大小，彈簧測力計的秤鉤受到的拉力方向分為豎直向下、豎直向上，下面以兩道例題來分析是否需要將彈簧測力計重新調零。

例1.用彈簧測力計測出一物體受到的重力是3N，然后將彈簧測力計倒過來，把秤鉤固定住，將此物體掛在彈簧測力計的提環上，則彈簧測力計的示數（ ）。

A.等于3N B.大于3N C.小于3N D.等于零

物體受地球引力的作用，對秤鉤有個豎直向下的拉力，從而使彈簧發生變形，彈簧為了恢復原狀，對秤鉤有個豎直向上的拉力，這兩個力為平衡力，所以彈簧測力計的示數與物體重力相等。彈簧倒置過來后，雖然彈簧測力計受到地球引力的作用，但是因為秤鉤連著彈簧固定，彈簧秤的自重會使彈簧發生形變，使彈簧測力計在沒有掛物體時已經有了讀數，如果不調零再掛上重物，彈簧肯定會更長，因為彈簧測力計的自重、物體重力都會使它伸長。彈簧測力計的伸長與受到的拉力成正比，所以彈簧測力計的示數就會大于3N，故選B。

但下面這道例題，就不能用上面的方法去解決了。

例2.在《探究杠桿平衡條件》的實驗中，不在B 位置掛鉤碼，而通過彈簧測力計拉杠桿的B 點，用彈簧測力計拉B點應按圖1_____________（丙/丁）所示進行，另一種拉法會使測力計的讀數_____________（大于/小于）拉B 點的力。

圖1

學生在做題時很容易選“丙”，因為學生在課堂上學習和使用彈簧測力計時就是掛鉤上受力。其實“丙”不可以，采用丙方法的彈簧測力計是掛在了杠桿下面，然后再用手拉，這樣手的拉力（彈簧測力計的示數與人對秤鉤的拉力相等）加上彈簧測力計的重力就是對杠桿的拉力，所以彈簧測力計的讀數偏小，不可取。那丁方案為什么可行？丁方案需不需要重新對彈簧測力計調零？大多數學生分析不清楚。在近兩年的教學中，筆者對學生進行了調查、統計，選擇丁選項的占學生總數的40%，選了丁，并且認為還需要再次調零的，又占了選“丁”學生數的80%。這就容易說明學生是不理解的，甚至有的教師在評講這題的時候也會說，彈簧測力計倒轉后有示數，只要重新調零，就可以準確測量了。丁選項中彈簧測力計倒轉后重新調零了，它的示數為零，難道對杠桿的拉力也為零？這很明顯是不成立的，學生在解決問題時往往缺乏一個假想的思考，只是根據所學的經驗，就做出了武斷的選擇。本題倒置后應當不調零，彈簧秤有示數(示數為彈簧測力計自重），加上人對它的一個拉力，示數變大，變大的示數反映了人拉力的大小，最終彈簧測力計的示數就是杠桿所受到的拉力，這樣分析才對本題為什么選“丁”做出了完美而準確的解釋。

二、彈簧測力計水平使用，一定需要重新調零

在初二物理《用注射器、刻度尺、彈簧測力計去估測大氣壓強》的實驗中，常規的做法是先“上拉環、下秤鉤”對彈簧測力計調零，然后拉注射器的活塞。但在實驗過程中我們發現，注射器不能豎直放置，因為活塞自身受到地球的吸引，豎直往上拉，拉力需要克服大氣壓力和活塞自重，拉力偏大；豎直往下拉，活塞又往下落，拉力偏小，所以只能水平拉。測力計水平放置后，彈簧及秤鉤幾乎不受重力，彈簧往回縮，如果不調零，讀數就會偏小，所以必須重新調零。同樣是測拉力，為什么這次一定需要重新調零呢？

筆者認為，要回答這個問題，就應先思考彈簧測力計的讀數能不能完整地反映出彈簧測力計受到的拉力的大小。如果可以，則不需要調零，如果不可以，表明測量的力偏小，需要重新調零。我們再來分析例1，如果彈簧測力計旋轉后不調零，它能反映出后來受到的拉力大小，為什么又要重新調零呢？準確來說，這個實驗是沒有必要重新調零的，我們需要記錄掛物體之前的讀數F1與掛物體之后的讀數F2，兩次的數據之差F2-F1就是物體重力大小。就像用刻度尺量物體長度不一定需要從0 刻度線開始測量的道理一樣。倒置后重新調零，更加符合我們的測量習慣。

正是因為彈簧測力計在實際使用過程中有各式各樣的變化，對學生來說有著不同的難點，所以只要提到方向，學生都感到很棘手，為了照顧所有的學生，教材中凡涉及彈簧測力計的用法都盡量做到了“上拉環、下秤鉤”，就像下面的杠桿探究實驗。

小明在進行完“杠桿的平衡條件”這一實驗后，提出了新的探究問題：“若支點不在杠桿的中點時，杠桿的平衡條件是否仍然成立？”于是小明利用圖2（右）的裝置進行探究，發現測出的拉力大小與杠桿平衡條件不相符，其原因 是：______________________________________________________________________________________________。

圖2

如果是需要向下拉杠桿，可以直接用鉤碼，鉤碼的重力等于對杠桿的拉力；如果用彈簧測力計，基本上是將彈簧測力計與鉤碼放置在支點同一側，這樣就可以保證彈簧測力計的放置方式是“上拉環、下秤鉤”。這樣的安排既降低了理解難度，又提高了學生實驗操作的規范性。

結 語

綜上所述，在初中物理實驗教學中，教師需要注重培養學生分析問題的意識和能力，讓他們在實驗中遇到問題或困難時，先思考和探究原因，在此基礎上尋找解決問題的方法[2]。 這樣，學生才能真正理解實驗原理，掌握實驗步驟，并得出準確科學的實驗結果，同時有助于其創造力的培養。