弹簧测力计的校零并不简单

江苏省无锡市刘潭实验学校(214046) 宋怀甫

关于学生知识学习的重难点,教师都很重视,但对于技能方面的重难点容易忽略,比如弹簧测力计的校零。教学中不重视实验的教师对弹簧测力计的校零可能会不屑一顾,他们认为只要把弹簧测力计竖直放好,使指针对准零刻度线就可以了。弹簧测力计的使用果真如此简单吗?

1 弹簧测力计校零时要消除弹簧和秤钩重力的影响

在中学力学实验中,经常要用弹簧测力计测量力的大小。在弹簧的弹性限度内,弹簧的弹力与弹簧的伸长量成正比,弹簧测力计就是根据这一原理制成的。如图1所示,弹簧测力计主要由弹簧、指针、秤钩、刻度盘组成。

如图2所示,把弹簧测力计先竖直放置,校正“0”点；然后分别水平放置、竖直倒放,指针位置分别如图3、图4所示。

图1 弹簧测力计

图2 竖直正放

图3 水平放置

图4 竖直倒放

从图中可以看出,把竖直放置已经校正“0”点的弹簧测力计,水平放置、竖直倒放,指针不在零刻度线处,且变化较大。水平放置时指针不在零刻度线处,这主要是消除了弹簧测力计的弹簧和秤钩重力的影响。竖直倒放时指针不在零刻度线处,主要是测力计的弹簧和秤钩受重力的作用引起。所以,我们在使用弹簧测力计测力前,一定要把弹簧测力计按照测量时需要的位置放好,然后校正“0”点,这样才能根据需要消除或避免弹簧和秤钩的重力对测量的影响。在大家的脑海中,最常见的校零方式是把弹簧测力计竖直放置,校正“0”点。如探究重力大小与物体质量的关系时,因为重力的方向竖直向下,所以要把弹簧测力计竖直放置校零。综上所述,使用弹簧测力计时要把弹簧测力计按测量时的位置放好进行校零,并不是总要把弹簧测力计竖直放置,校正“0”点。

2 弹簧测力计沿着斜面拉小车时,要平行于斜面校零

苏科版教材中,进行功的原理教学时,如图5所示,通过探究斜面是否省力。是否省功,最后归纳出：使用斜面时省力,但不能省功。利用其他机械做功时,可以得到同样的规律,推导出使用任何机械都不能省功。

图5 功的原理教学实验

同组教师在实验时,把弹簧测力计竖直放置,校正“0”点后,测出小车的重力G；把小车放在斜面上,用弹簧测力计沿着斜面匀速拉动小车通过一段距离,读出拉力F；然后用刻度尺测出小车移动的距离s和小车被提升的高度h,测量数据见表1。

表1 测量数据

根据表1中数据可看出,拉力F小于小车重力G；拉力做的功W1小于不用机械做的功W2,即使用斜面既省力又省功,违背了功的原理。分析该实验错误的原因是什么? 把弹簧测力计竖直放置,校正“0”点,测出小车的重力G,这一步是正确的。沿着斜面匀速拉动小车时,弹簧测力计要平行于斜面。弹簧测力计平行于斜面放置时,指针位置如图6所示,由于弹簧测力计的弹簧和秤钩重力的影响,指针不再指在“0”刻度线,沿着斜面匀速拉动小车时,测出的拉力误差较大。找出了问题的根源,将实验进行改进。把弹簧测力计竖直放置,校正“0”点,测出小车的重力G,然后把弹簧测力计平行于斜面放置,再次校正“0”点。沿着斜面匀速拉动小车通过一段距离,测出拉力F。实验数据记录与处理见表2。

图6 平行斜面放置校零

表2 实验数据

分析表2中数据可知,拉力F小于小车的重力G；拉力F做的功W1大于不用机械做的功W2,即使用斜面时省力,但不能省功。

3 弹簧测力计倒置测量时,要倒置放置校零

苏科版教材中,探究定滑轮的工作特点时,实验设计如图7所示。先测出钩码的重力G,然后用定滑轮提升钩码。实验中竖直向下拉绳端,匀速提升钩码,测出拉力F。在教学时,我没有过多强调,就让学生按照课本上的步骤进行实验。学生通过实验,数据记录见表3。

表3 学生实验数据记录

分析数据发现弹簧测力计的拉力小于钩码的重力,由于滑轮的摩擦力的影响,拉力肯定略大于钩码的重力,拉力的测量错误。一名学生讲述了他的实验过程：把弹簧测力计竖直放置,校正“0”点,测出钩码的重力G；使用定滑轮提升钩码,竖直向下匀速拉弹簧测力计,读出拉力F。听完学生的汇报,笔者知道他是在弹簧测力计校“0”时出现了问题。笔者让学生把弹簧测力计竖直放置,校正“0”点后,再把弹簧测力计倒放,观察指针的位置是否改变? 把弹簧测力计竖直放置,校正“0”点后,再把弹簧测力计倒放,指针位置变化较大。笔者向学生提出问题：弹簧测力计竖直放置校零后,再倒置放置,为什么指针不再对准“0”刻度线? 学生讨论后回答：是弹簧测力计的弹簧和挂钩重力的影响。接着继续问：本实验中,测完钩码的重力后,应该怎么做?学生回答：应该把弹簧测力计竖直倒放,再次校正“0”点。改进后,学生再次实验,数据记录见表4。

图7 倒置放置校零

表4 数据记录

分析数据,归纳结论：使用定滑轮不能省力,但可以改变施力的方向。

从以上实验可看出,在使用弹簧测力计时,测量前务必把弹簧测力计按测量时需要的位置放好,校正“0”点。

4 结语

弹簧测力计的校零是实验操作中的难点,尤其是容易忽视的难点。主要原因是教师考虑教学难点,往往从考试的角度去考虑,对实验技能上的难点不重视。例如在绘制图像的时候,忽视了如何描点。在斜面上拉动物体的时候,忽略在斜面上对弹簧测力计重新调零。弹簧测力计在使用前,应该把弹簧测力计按测量时的位置放好进行校零,这是必备的实验技能,也是课堂教学中容易缺失的一部分。在纸面上看起来很容易的东西,要自己实际操作,你会感觉不一样。难度体验不同,解决后的感受也不一样。学生的动手能力,往往就是需要这样的机会来提升。