弹簧测力计的制作与改制

金海峰

[摘   要]弹簧测力计是初中科学实验中重要的测量工具，制作弹簧测力计的过程可以让学生更深刻地理解它的工作原理和使用方法。通过将弹簧测力计改制成密度计，能让学生更好地理解浮力大小与液体密度的关系及密度计的刻度特点。

[关键词]弹簧测力计;制作;改制;密度计

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2019）26-0054-02

弹簧测力计是七年级下册第3章第2节《力的存在》中介绍的测量工具。教材安排了如图1的实验活动，先通过活动让学生体会弹簧测力计是利用弹簧“受力大，伸长长”的原理来测量力的大小，再进一步学习弹簧测力计的使用。教材中的活動使学生对弹簧测力计的原理有了定性的认识，我们还可以通过让学生参与弹簧测力计的制作，帮助学生进一步理解“弹簧的伸长与受到的拉力成正比”，这样也有助于弹簧测力计的规范使用。

一、弹簧测力计的原理

测量是将某一个物理量与标准（即单位）比较的过程。力的测量就是将力的作用效果与标准（即已知力的作用效果）比较的过程，如果一个力的作用效果与1 N力的作用效果相同，这个力的大小就是1 N。

胡克定律：弹簧在发生弹性形变时（弹性限度范围内），弹簧的弹力F和弹簧的伸长量（或压缩量）[Δx]成正比，即F= -k·[Δ]x，k是弹簧的倔强系数，负号表示弹力的方向总与弹簧形变（伸长或压缩）的方向相反。

根据胡克定律，在弹性限度内弹簧的伸长长度与所受拉力的大小成正比，在确定1 N力的作用效果以后，容易确定更大的力或更小的力的作用效果。

二、弹簧测力计的制作

（一）材料

三夹板、三夹板刀、弹簧（直径0.04 cm的304不锈钢，弹簧的原长4.6 cm、外圈直径1.1 cm、倔强系数6 N/m）、金属丝、刻度尺、钩码、记号笔。

（二）步骤

1.量程选定

根据选定弹簧的倔强系数与原长确定量程，选择合适长度的三夹板作为面板。因材料中的弹簧原长为4.6 cm、倔强系数为6 N/m，当受到1 N的拉力作用时，弹簧伸长约为16.7 cm，综合考虑弹簧的弹性形变限度、操作的便利等因素，确定量程为1 N较为合适，故三夹板面板长度选30 cm左右。

2.面板制作

镂空的长度要考虑量程和弹簧原长，让弹簧伸长时不受阻碍，用刀片将三夹板中间镂空22 cm左右。

3.部件组装

按图2甲所示准备各部件，并按图2乙所示组装各部件。

4.刻度标定

悬挂弹簧测力计，让弹簧自由下垂，在指针所指的面板位置标出0刻度线，用两个50 g的钩码挂在小钩上，在指针所指的面板位置标注1 N（g取10 N/kg），如图3甲。然后将标记的“0”刻度和“1”刻度间的部分均分为10等份，如图3乙，分别标注刻度。量出一小格的长度，再依次标出相应的示数。

（三）注意事项

（1）固定拉环的两个小孔应水平，且与中轴线等距，固定弹簧的小孔应处在面板的中轴线上。

（2）指针要与弹簧下端的铁丝垂直，且要稳定。

（3）标0刻度时，要将弹簧测力计悬挂，使弹簧自由下垂。

（4）拉杆要直，尤其是要减少与面板下端的摩擦。

（5）制作过程中要小心谨慎，防止划伤。

三、拓展链接

弹簧测力计改制成简易密度计。

（一）原理

将一物体挂在弹簧测力计上缓慢放入水中至完全浸没，此时物体受到三个力：物体的重力G物，物体受到的浮力F浮，弹簧测力计对物体向上的拉力F拉，三个力之间的关系满足：G物=F浮+F拉。因为物体是完全浸没的，则V排液=V物，根据阿基米德原理得G物= [ρ]液gV物+F拉，ρ液=[1gV物] （G物-F拉）。因为g、V物、G物是常数，所以液体的密度和物体所受拉呈成线性关系，根据这个原理可将弹簧测力计改制成简易密度计，且其刻度是均匀的。

（二）制作过程

1.材料

弹簧测力计、药瓶、玻璃胶、酒精、水、塑料桶、细线、沙、刻度尺。

2.步骤

（1）瓶子改装

根据弹簧测力计的量程在瓶内放入适量的沙子，在瓶盖中央打一小孔，将细线伸入并打结后用玻璃胶封口，如图4。

（2）刻度标定

在塑料桶中放入适量的水，将药瓶悬挂在弹簧测力计下，缓慢放入水中至完全浸没，弹簧测力计指针所指的位置标为1.0 g/cm3，如图5甲。取出药瓶后放入酒精中至完全浸没，指针所指的位置标为0.8 g/cm3，如图5乙;然后将标记“0.8”刻度和“1”刻度间的部分均分为10等份，分别标注刻度;最后量出一小格的长度，再依次标出相应的示数，如图5丙。

3.注意事项

根据烧杯的直径选择尽量大的瓶子，瓶内装入沙子后使总重力尽量接近弹簧测力计的量程。

[   参   考   文   献   ]

赵凯华，张维善.新概念高中物理读本[M].北京：人民教育出版社，2016.

（责任编辑 易志毅）