一个教材探究性实验的教学探讨

江西师范大学物理与通信电子学院(330022) 周新雅 沈林东 胡超越 周 行

“用弹簧测力计测量力”是《义务教育物理课程标准(2011年版)》要求必须做的20个实验之一。在初中物理教材实验中多处涉及使用弹簧测力计，其中大多是条形盒式测力计。令人称奇的是鲜有教材介绍条形盒式测力计在水平、倾斜和倒置状态时如何调零，唯一有的也仅仅是在竖直向下使用时的说明。更加叫人感到困惑的是，按照一些教材描述的去使用弹簧测力计探究“定滑轮工作特点”时，无论是研讨课还是示范课都是测量值与理论值相距甚远，一些教师每每遇到这样的情况常将其归结为弹簧秤使用前没有校零、失灵和读数不准，或将其描述成摩擦等原因导致的测量误差。而在一个定量测量的探究性实验中得出的竟然是定滑轮“省力”的结论，这显然无法帮助初学者形成正确的“定滑轮”观念。这样的困境是许多一线教师曾经遇到过的，亟待深入探讨和进一步厘清。

1 按教材插图进行实验发现定滑轮竟然“省力”

对“定滑轮工作特点”的探究在众多初中物理教材中大都设置了实验或活动，并且附带了实验插图供实验者借鉴。如沪粤2013版八年级下册物理教材中“探究定滑轮的作用”的插图(如图1所示)。

图1 教材插图

将条形盒式测力计按照图1所示的水平、倾斜、倒置三种状态进行探究，砝码重1.5 N，通过定滑轮水平、倾斜、倒置测力计拉砝码测力计示数分别为1.37 N、1.35 N、1.32 N。学生轻易得出“定滑轮省力”的结论，这与实验目的得出“定滑轮不省力”完全背道而驰，这也正是近些年来困惑许多一线教师的问题。

有鉴于此，有必要对定滑轮“省力”产生的原因进行分析，并提出相应的改进方案，将定滑轮从“省力”的歧途拉回到“不省力”的正轨上来。

2 定滑轮“省力”原因的分析

2.1 水平、倾斜状态下使用条形盒式测力计导致的“省力”

在水平、倾斜状态下，条形盒式测力计的弹簧和秤杆会由于受自身重力的影响而与外壳发生触碰挤压，增大了测力计本身的摩擦，从而导致测力计示数偏小。又由于测力计在使用之前大都要进行调零，若是将条形盒式测力计先正立调零，再水平、倾斜使用，势必会使得示数更进一步偏小。这是因为在正立状态下调零的条形盒式测力计的弹簧实际上受到其自身、秤杆以及挂钩的重力而处于拉伸状态，将其放置水平或者倾斜的过程中弹簧会收缩回去或拉伸变少。

有的教师提出了条形盒式测力计水平调零的方法，如《物理教学》在2016年第5期“也说弹簧测力计的调零”一文中，是按照图2所示的方法测量条形盒式测力计在水平状态受到的摩擦力大小，可以减小测量水平拉力时因摩擦而带来的误差。但是这一方法必须是在学生已经掌握定滑轮知识的基础上才能被理解和接受，而在初学定滑轮知识时就采用这种水平调零方法显然并不合适。而且，此时的摩擦是测力计本身的摩擦和其与桌面的摩擦，若测力计并非放在桌面上水平使用，而是悬在空中水平使用，秤中的弹簧根本做不到水平，另外还会与外壳摩擦，这种水平调零方法反而会使得示数偏大，定滑轮又变成了“费力”装置。

图2 测量测力计水平状态下的摩擦力

此外，条形盒式测力计在倾斜状态下如何调零尚无新的方法，若是按照传统的在竖直方向调零再倾斜使用，示数无疑还是偏离真实值的。

2.2 倒置状态下使用条形盒式测力计导致的“省力”

条形盒式测力计本身是有一定的自重的。在正立状态下，其重力是由人或装置提供的拉力平衡的，测量对象受到的拉力由测力计提供，因此测力计的示数大小就是测量对象受到的拉力的大小。而在倒置状态下，其重力却是由测量对象提供的拉力平衡的，此时测量对象所受到的拉力是测力计的重力和人的拉力之和，那测力计的示数大小就要比测量对象实际受到的拉力小。

为了避免测力计本身重力的影响，有的教师提出了一些倒置使用弹簧测力计的调零方法(用的都是条形盒式测力计)，如“持壳调零法”“倒提秤钩调零法”“互拉调零法”等。虽然这些方法可以在一定程度上减少测力计本身重力带来的影响，但误差仍然较大。其中“互拉调零法”是测出条形盒式测力计的重力大小，再将其在正立状态下将指针所指的示数调至与其重力大小一致的位置。若不施加拉力的情况下，正立状态下测力计的弹簧是受到其自身、秤杆以及挂钩的重力而处于拉伸状态，而倒置状态下的弹簧是受到其自身、外壳、拉环的重力而处于拉伸的状态。很显然，正立与倒置两种状态下弹簧的形变情况不一样，所以这种“互拉调零法”仍不能“调零”。而且当外壳、拉环的重量与秤杆、挂钩的重量相比越大，定滑轮越“省力”。

除了条形盒式测力计之外，平板式测力计、圆筒式测力计、演示型测力计在水平、倾斜、倒置状态下使用均存在与条形盒式测力计同样的问题。

3 对定滑轮实验改进的探讨

归纳总结知网上一线教师发表的有关“定滑轮实验改进”的论文，概括起来主要是从实验方法进行改进的三种方法。

3.1 从实验方法上进行改进

方法一：改变定滑轮两侧力的方向

将定滑轮两侧力的方向从向下改为向上(如图3所示)，并且力都改为用测力计来提供，便于比较两侧拉力的大小。此时两侧拉力大小相等，可验证定滑轮不省力。但是，当水平拉动一侧的条形盒式测力计时，两测力计的示数发生了变化，而且右侧的示数很明显小于左侧的示数，此时的定滑轮是“省力”的。

图3 改变定滑轮两侧力的方向

方法二：在定滑轮另一侧增加测力计

在定滑轮两侧的对应位置上也挂上一个同种规格的条形盒式测力计(如图4所示)，可以看出左右两侧测力计的示数相等，此时的定滑轮也是不省力的。当斜拉右侧的条形盒式测力计时，发现右侧测力计的示数增大，此时定滑轮是“费力”的。

图4 在定滑轮一侧增加测力计

方法三：用对应的重物代替测力计

为了避免测力计本身摩擦和重力的影响，摈弃了测力计，取而代之的是在定滑轮另一侧也挂上同样重的钩码，如图5所示。在两侧钩码的作用下定滑轮保持了平衡，很轻易就能得出“定滑轮不省力”这一结论。但是，这个方法只能定值验证，对于在非定值情况下并不适用；而且拉力的方向都是竖直向下的，并不能改变。

图5 用重物代替测力计

以上三种改进方法都在一定程度上解决了条形盒式测力计摩擦和自重的问题，但都只能验证竖直方向上的“定滑轮不省力”问题，而其他的方向上并未进行验证且不能进行有效验证。若在教学中只演示竖直方向上“定滑轮不省力”，并由此得出所有方向都遵循“定滑轮不省力”的结论，未免有“以偏概全”之嫌，势必将会给学生起到一个不好的示范引领作用。任何实验的成功都不是一蹴而就、信手拈来的，都需要教师提前去演练实验、积攒经验、掌握技巧，只有这样才能保证实验取得成功。好在天无绝人之路，方法总比困难多。

3.2 从仪器选择上进行改进

其实测力计的种类很多，除了常用的条形盒式测力计、圆筒式测力计外还有双向测力计、圆盘式测力计、力传感器等。按照可测量力的方向的多少进行分类，测力计大致可以分为单向、双向和多向测力计。对“定滑轮工作特点”的探究总能找到合适的测力计。

选择一：双向测力计

常见的双向测力计如图6所示，在物理教学和物理实验中的用途是用来测量拉力和物体的重力，可选作验证“定滑轮不省力”的实验仪器。

图6 双向测力计

选择二：多向测力计

圆盘式测力计是常见的多向测力计，如图7所示。它在测量力的大小和方向方面具有的特点是：可测拉力和压力；可测量各个方向力的大小；将力的大小转化为指针转动角度的大小。

图7 圆盘式测力计

定滑轮的工作特点除了“不省力”以外，还有“可以改变力的方向”这一特点，而在以往的教学、演示和改进实验中最多只能验证定滑轮在竖直方向上不省力，对于其他方向上“无能为力”。圆盘式测力计似乎就是为了专门解决这一问题而设计的。利用它既能够有效地解决这种“无能为力”的困境，又可以实时动态进行演示。用圆盘式测力计按照图1所示进行实验，实验结果如图8所示。学生能真实地观察和体验到“定滑轮真的是不省力，但可以改变力的方向”。这两个特点正是定滑轮实验所要得出来的，恰好也是圆盘式测力计最适宜测量的。

图8 实验结果

除了圆盘式测力计之外，力传感器也不失为一种适宜进行定滑轮实验探究的仪器。但由于其价格比较贵，且需要电脑和相应软件加以辅助。在一些发展相对缓慢的城镇学校显然较难普及，而较为便宜的圆盘测力计则更适宜这些地方的教学。

4 总结

现如今平板式演示测力计、条形盒式测力计、圆筒式测力计在物理教学中的使用已经相当普遍，由于思维定势使得大家只要是测量力便会首先想到使用这些测力计。但是，“最常想到的测力计”却非“最适宜的测力计”，这些测力计通过实验将它们存在的诸多问题暴露无疑。因此，对于测力计应该要“量力而行”，在最适宜它们发力的地方使用，发挥它们最大的作用。