彈簧測(cè)力計(jì)的制作與改制

金海峰

[摘 ? 要]彈簧測(cè)力計(jì)是初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)中重要的測(cè)量工具，制作彈簧測(cè)力計(jì)的過(guò)程可以讓學(xué)生更深刻地理解它的工作原理和使用方法。通過(guò)將彈簧測(cè)力計(jì)改制成密度計(jì)，能讓學(xué)生更好地理解浮力大小與液體密度的關(guān)系及密度計(jì)的刻度特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]彈簧測(cè)力計(jì);制作;改制;密度計(jì)

[中圖分類(lèi)號(hào)] ? ?G633.7 ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號(hào)] ? ?1674-6058（2019）26-0054-02

彈簧測(cè)力計(jì)是七年級(jí)下冊(cè)第3章第2節(jié)《力的存在》中介紹的測(cè)量工具。教材安排了如圖1的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，先通過(guò)活動(dòng)讓學(xué)生體會(huì)彈簧測(cè)力計(jì)是利用彈簧“受力大，伸長(zhǎng)長(zhǎng)”的原理來(lái)測(cè)量力的大小，再進(jìn)一步學(xué)習(xí)彈簧測(cè)力計(jì)的使用。教材中的活動(dòng)使學(xué)生對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)的原理有了定性的認(rèn)識(shí)，我們還可以通過(guò)讓學(xué)生參與彈簧測(cè)力計(jì)的制作，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解“彈簧的伸長(zhǎng)與受到的拉力成正比”，這樣也有助于彈簧測(cè)力計(jì)的規(guī)范使用。

一、彈簧測(cè)力計(jì)的原理

測(cè)量是將某一個(gè)物理量與標(biāo)準(zhǔn)（即單位）比較的過(guò)程。力的測(cè)量就是將力的作用效果與標(biāo)準(zhǔn)（即已知力的作用效果）比較的過(guò)程，如果一個(gè)力的作用效果與1 N力的作用效果相同，這個(gè)力的大小就是1 N。

胡克定律：彈簧在發(fā)生彈性形變時(shí)（彈性限度范圍內(nèi)），彈簧的彈力F和彈簧的伸長(zhǎng)量（或壓縮量）[Δx]成正比，即F= -k·[Δ]x，k是彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)，負(fù)號(hào)表示彈力的方向總與彈簧形變（伸長(zhǎng)或壓縮）的方向相反。

根據(jù)胡克定律，在彈性限度內(nèi)彈簧的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度與所受拉力的大小成正比，在確定1 N力的作用效果以后，容易確定更大的力或更小的力的作用效果。

二、彈簧測(cè)力計(jì)的制作

（一）材料

三夾板、三夾板刀、彈簧（直徑0.04 cm的304不銹鋼，彈簧的原長(zhǎng)4.6 cm、外圈直徑1.1 cm、倔強(qiáng)系數(shù)6 N/m）、金屬絲、刻度尺、鉤碼、記號(hào)筆。

（二）步驟

1.量程選定

根據(jù)選定彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)與原長(zhǎng)確定量程，選擇合適長(zhǎng)度的三夾板作為面板。因材料中的彈簧原長(zhǎng)為4.6 cm、倔強(qiáng)系數(shù)為6 N/m，當(dāng)受到1 N的拉力作用時(shí)，彈簧伸長(zhǎng)約為16.7 cm，綜合考慮彈簧的彈性形變限度、操作的便利等因素，確定量程為1 N較為合適，故三夾板面板長(zhǎng)度選30 cm左右。

2.面板制作

鏤空的長(zhǎng)度要考慮量程和彈簧原長(zhǎng)，讓彈簧伸長(zhǎng)時(shí)不受阻礙，用刀片將三夾板中間鏤空22 cm左右。

3.部件組裝

按圖2甲所示準(zhǔn)備各部件，并按圖2乙所示組裝各部件。

4.刻度標(biāo)定

懸掛彈簧測(cè)力計(jì)，讓彈簧自由下垂，在指針?biāo)傅拿姘逦恢脴?biāo)出0刻度線(xiàn)，用兩個(gè)50 g的鉤碼掛在小鉤上，在指針?biāo)傅拿姘逦恢脴?biāo)注1 N（g取10 N/kg），如圖3甲。然后將標(biāo)記的“0”刻度和“1”刻度間的部分均分為10等份，如圖3乙，分別標(biāo)注刻度。量出一小格的長(zhǎng)度，再依次標(biāo)出相應(yīng)的示數(shù)。

（三）注意事項(xiàng)

（1）固定拉環(huán)的兩個(gè)小孔應(yīng)水平，且與中軸線(xiàn)等距，固定彈簧的小孔應(yīng)處在面板的中軸線(xiàn)上。

（2）指針要與彈簧下端的鐵絲垂直，且要穩(wěn)定。

（3）標(biāo)0刻度時(shí)，要將彈簧測(cè)力計(jì)懸掛，使彈簧自由下垂。

（4）拉桿要直，尤其是要減少與面板下端的摩擦。

（5）制作過(guò)程中要小心謹(jǐn)慎，防止劃傷。

三、拓展鏈接

彈簧測(cè)力計(jì)改制成簡(jiǎn)易密度計(jì)。

（一）原理

將一物體掛在彈簧測(cè)力計(jì)上緩慢放入水中至完全浸沒(méi)，此時(shí)物體受到三個(gè)力：物體的重力G物，物體受到的浮力F浮，彈簧測(cè)力計(jì)對(duì)物體向上的拉力F拉，三個(gè)力之間的關(guān)系滿(mǎn)足：G物=F浮+F拉。因?yàn)槲矬w是完全浸沒(méi)的，則V排液=V物，根據(jù)阿基米德原理得G物= [ρ]液gV物+F拉，ρ液=[1gV物] （G物-F拉）。因?yàn)間、V物、G物是常數(shù)，所以液體的密度和物體所受拉呈成線(xiàn)性關(guān)系，根據(jù)這個(gè)原理可將彈簧測(cè)力計(jì)改制成簡(jiǎn)易密度計(jì)，且其刻度是均勻的。

（二）制作過(guò)程

1.材料

彈簧測(cè)力計(jì)、藥瓶、玻璃膠、酒精、水、塑料桶、細(xì)線(xiàn)、沙、刻度尺。

2.步驟

（1）瓶子改裝

根據(jù)彈簧測(cè)力計(jì)的量程在瓶?jī)?nèi)放入適量的沙子，在瓶蓋中央打一小孔，將細(xì)線(xiàn)伸入并打結(jié)后用玻璃膠封口，如圖4。

（2）刻度標(biāo)定

在塑料桶中放入適量的水，將藥瓶懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)下，緩慢放入水中至完全浸沒(méi)，彈簧測(cè)力計(jì)指針?biāo)傅奈恢脴?biāo)為1.0 g/cm3，如圖5甲。取出藥瓶后放入酒精中至完全浸沒(méi)，指針?biāo)傅奈恢脴?biāo)為0.8 g/cm3，如圖5乙;然后將標(biāo)記“0.8”刻度和“1”刻度間的部分均分為10等份，分別標(biāo)注刻度;最后量出一小格的長(zhǎng)度，再依次標(biāo)出相應(yīng)的示數(shù)，如圖5丙。

3.注意事項(xiàng)

根據(jù)燒杯的直徑選擇盡量大的瓶子，瓶?jī)?nèi)裝入沙子后使總重力盡量接近彈簧測(cè)力計(jì)的量程。

[ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ]

趙凱華，張維善.新概念高中物理讀本[M].北京：人民教育出版社，2016.

（責(zé)任編輯 易志毅）