再谈弹簧测力计的校零问题

【摘 要】弹簧测力计是测量力的基本工具，在初中物理教学中使用率相当高，如何正确使用弹簧测力计是实验成功的关键。本文就弹簧测力计的校零问题进行了深入探讨，讨论辨析了弹簧测力计在竖直正放、水平横放、竖直倒置等情形时的校零方法和原理，并分享了笔者在实验教学中的意外发现。

【关键词】弹簧测力计;校零;初中物理

弹簧测力计是测量力的基本工具，使用时有一些明确的规范操作的要求。苏科版物理八年级下册第46页以“信息快递”的方式介绍了使用弹簧测力计时应注意的一些事项，其中对弹簧测力计的校零是这样要求的：测量前，应检查指针是否指在“ 0 ”刻度线上，若不在，应校正到“ 0 ”点。教材图例演示的是弹簧测力计最常见的竖直正放的情形，问题比较简单，但实际教学中会涉及弹簧测力计平放、斜放甚至倒置的使用情形，此时还能按常规方法校零吗？笔者发现有些教师在教学中对此存在一些误区，本文就此问题进行了分类讨论与辨析。

如图1所示，弹簧测力计是由弹簧、指针、秤杆、秤钩、刻度盘和拉环六部分组成的。取下刻度盘，可以看到弹簧的下端是与秤杆固定在一起的，不可活动，指针也与秤杆连成一体，而弹簧的上端则是套在拉环上，两者不固定，所以弹簧和拉环之间有一定的活动空间。另外，秤钩与秤杆相连，刻度盘与外壳紧密接触，但刻度盘是可以上下移动的。以上就是弹簧测力计的基本构造。

1   竖直正放使用弹簧测力计

在“探究重力大小与质量的关系”（如图2）的活动中，因为重力的方向总是竖直向下的，根据二力平衡的知识可知，重力的大小等于秤钩（弹簧）对物体竖直向上的拉力，所以此处的弹簧测力计必须竖直正放使用。根据弹簧测力计的原理：在弹性限度内，弹簧的伸长量与拉力成正比。因此，当正确使用弹簧测力计时，其示数等于秤钩上受到的拉力的大小[1]。

以图2为例进行受力分析，以弹簧为研究对象，弹簧受到的竖直向下的力有两部分：①弹簧、指针、秤杆和秤钩的重力，记为 G弹簧 ;②秤钩上受到的拉力，记为 F拉 ，其大小等于钩码的重量。

所以弹簧测力计的示数为：F示=G弹簧+F拉当 F拉=0 ，即不挂钩码时，F示'=G弹簧将上面两式相减可得：F示-F示'=F拉 ，如果让 F示'=0 ，那么就可得出 F示=F拉 ，即弹簧测力计的示数等于秤钩上拉力的大小（钩码的重量）。所以，要取 F示'=0 ，即取弹簧在自身、指针、秤杆及秤钩的重力作用下伸长时指针所指的位置为 0 刻度，这样就可以消除弹簧、指针、秤杆及秤钩的重力对实验的影响。

以上分析表明，弹簧测力计竖直放置时的校零方法是：手持拉环，如图2所示，调整刻度盘使指针正好对准零刻度线，即完成校零。

2   水平横向使用弹簧测力计

在“探究影响滑动摩擦力大小的因素”活动中，要利用二力平衡间接测量摩擦力大小。实验中，先让木块在水平木板上做匀速直线运动，所以拉力的方向必须是水平的，即弹簧测力计必须水平使用。

水平放置时，弹簧在水平方向上是没有伸长量的，即弹簧处于自然长度。如果把弹簧处于自然长度时指针所在的位置定为 0 刻度，那么根据弹簧测力计原理可知，秤钩上受到的拉力大小等于弹簧测力计的示数，即 F示=F拉 。不过，在实际操作的过程中，由于弹簧、指针、秤杆和秤钩在重力作用下，会增大秤杆与外壳之间的摩擦力，所以在水平使用弹簧测力计时，应尽量让秤杆、秤钩悬空，以减少摩擦力对实验的影响。

分析表明，弹簧测力计水平放置时的校零方法是：将弹簧测力计水平放置在桌面上，调整刻度盘直至指针正好指在零刻度线上，即完成校零[2]。

3   竖直倒置使用弹簧测力计

根据弹簧测力计的原理，倒置时校零的目的也是使秤钩上的拉力等于弹簧测力计的示数。笔者把教学中常用的几种校零方法归纳如下。

3.1  持壳校零

手直接拿著外壳，将弹簧测力计倒置，调节刻度盘使指针指在零刻度线。由于弹簧测力计中的弹簧是紧密绕制的，所以倒置时几乎不会压缩，但是弹簧的上端是套在拉环上的，且两者之间有一定的活动空间，如图1所示，因此测力计倒置时，弹簧本身会下移一定的距离且下移量不确定，由此这种持壳校零的方法有较大的误差，不宜采用。

3.2  倒提秤钩校零

手提着秤钩，将弹簧测力计倒置，再调节刻度盘使指针指在零刻度线上。这种校零方法是错误的，因为此时弹簧测力计的秤钩已受到了手的拉力，但读数却为 0 。这种倒提秤钩的校零方法会使测量值偏小，不宜采用。

3.3  互拉校零

如图3所示，将一只竖直正放校零后的弹簧测力计A竖直放置，其秤钩与另一只弹簧测力计B的秤钩对拉，当静止时，读出弹簧测力计A的示数，其大小就等于弹簧测力计B的重力。然后调节弹簧测力计B的刻度盘使指针指示的值等于弹簧测力计A的示数，此时弹簧测力计B的示数即自身的重力。这种校零方式将弹簧测力计的自身重力体现在了弹簧测力计的读数上，消除了弹簧测力计自身重力对实验的影响，这种互拉校零的方法比较准确。

3.4  “补偿法”校零

除了“互拉法”校零，吉临荣老师在他的文章《再谈弹簧测力计使用前的校零》中介绍了一种比“互拉法”校零更为简便、更易操作的方法——补偿弹簧测力计自身重力的测量方法[3]，本文将其简称为“补偿法”。具体操作如下：先将甲、乙两弹簧测力计分别竖直正放校零，即拉环在上秤钩在下时竖直校零，然后用弹簧测力计甲测出弹簧测力计乙的重力 G ，再将弹簧测力计乙以拉环在上秤钩在下的方式放置，如图4所示，此时绳子上受到的拉力 F 等于乙弹簧测力计的示数 F′ 加上其自身的重力 G ，即 F=G+F′ 。

4   意外发现

笔者在实际操作过程中发现条形盒测力计水平校零后倒置使用测出的拉力，与互拉校零后使用测出的拉力非常接近。对于这个结果，笔者认为绝不是巧合。因为水平校零后，手提秤钩将弹簧测力计倒置时，如图5所示，以秤钩为研究对象，秤钩上受到的拉力 F 的大小等于秤钩、秤杆、指针和弹簧的重力（记为 G弹簧 ）加上拉环的重力（记为 G环 ）。为什么要把拉环也算进去呢？因为弹簧是套在拉环上的，当手提秤钩倒置时，拉环的重力是作用在弹簧上的，所以秤钩上的拉力 F=G弹簧+G环 。而互拉校零后弹簧测力计的示数等于其自身的重力（包括G弹簧 、 G环 、 G外壳 ），后者仅比前者多了外壳和刻度盘的重力。因为弹簧测力计的外壳和刻度盘都是塑料的，非常轻，所以水平校零与互拉校零这两种不同的校零方式下测出的拉力的大小十分接近。

【参考文献】

[1]张莹，王珏，张秀美，等.谈弹簧测力计的使用[J].物理通报.2019（8）.

[2]沙黎晖.“弹簧测力计”使用问题再探讨[J].物理教学.2019（2）.

[3]吉临荣.“再谈弹簧测力计使用前的校零”[J].中学物理.2017（12）.

【作者简介】

欧燕秋（1981～），女，江苏太仓人，本科，中小学一级教师。研究方向：中学物理教学。