南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校(210000) 孫桂華

1 教學(xué)背景

彈簧測力計是以胡克定律為基礎(chǔ)、利用彈簧彈性形變和外力的關(guān)系設(shè)計制作出來的一種常用測力計,它不僅可以用來測量重力,還可以測量拉力、摩擦力……在蘇科版物理教材8年級下冊第8章第1節(jié)介紹了彈簧測力計的原理、結(jié)構(gòu)以及使用方法,其中教材信息快遞中關(guān)于彈簧測力計校零問題是這樣提出的:測量前,應(yīng)檢查指針是否指在“0”刻度線上,若不在,應(yīng)校正“0”點。如何校正,教材中并沒有明確給出方法,學(xué)生也僅僅是根據(jù)自己的前概念來理解校零。然而校零的正確性在一定程度上關(guān)系到測量結(jié)果的準確性,因此校零問題必須引起師生重視。那么,在不同條件下測不同的力該如何校零呢?

2 彈簧測力計校零方法探究

2.1 測水平方向拉力時,采用水平校零法

水平放置的彈簧測力計,固定拉環(huán),沿軸線方向多次拉動秤鉤再撤銷拉力,讓彈簧處于自然伸展的狀態(tài),再調(diào)節(jié)刻度盤,使指針指向零刻度線處即可。此時,彈簧測力計自身所受重力對示數(shù)沒有影響。教材中需要水平校零彈簧秤的實驗有:探究影響滑動摩擦力大小的因素、用彈簧測力計勻速拉動木塊使其做勻速直線運動、通過測拉力間接得出滑動摩擦力大小、估測大氣壓數(shù)值等。

2.2 測豎直向上拉力時,采用直接校零法

使彈簧測力計豎直放置,此時彈簧自身的重力與待測拉力的方向相反,只要通過上下微調(diào)刻度盤使指針重新指在零刻度線處,以此規(guī)避彈簧自身重力帶來的影響。測物體所受重力、探究動滑輪工作時動滑輪的拉力等實驗中采用直接校零法。

2.3 測豎直向下拉力時,采用互拉校零法

在測豎直向下的拉力時,因為彈簧自身重力與待測拉力方向相同,則需要采用“互拉法”校零。具體方法:取2個彈簧測力計,先對甲彈簧測力計直接校零,再將兩彈簧測力計秤鉤互掛,如圖1所示。讀出甲彈簧測力計示數(shù),調(diào)節(jié)乙彈簧測力計的刻度盤使其示數(shù)與甲的示數(shù)相等,用倒掛調(diào)節(jié)好的乙彈簧測力計即可測量豎直向下的拉力。教材中探究杠桿平衡條件、探究定滑輪工作時的特點這兩個部分都涉及到彈簧測力計倒掛校零問題。

圖1 互拉校零法

3 彈簧測力計“互拉法”校零解析

前兩種校零方式學(xué)生易于理解且操作簡便,是學(xué)生必須掌握的基本操作技能。而第三種“互拉式”校零相對來說原理復(fù)雜,學(xué)生不易真正理解其中的原理。筆者發(fā)現(xiàn)教師在引導(dǎo)學(xué)生探究杠桿平衡條件實驗時,一般都會用鉤碼代替彈簧測力計。這樣的確可以避免用彈簧測力計測豎直向下的拉力時的校零問題,但接下來學(xué)習(xí)“探究定滑輪工作時的特點”時,學(xué)生可能面對校零問題不知所措,可見“互拉式”校零法必須透徹理解并且熟練掌握。

那么“互拉式”校零法的基本原理是什么,筆者將通過一個具體的實驗來說明。如圖2所示,將彈簧測力計倒掛于杠桿上,并使其處于靜止狀態(tài),此時杠桿對彈簧測力計拉鉤的作用力與彈簧測力計自身所受的重力大小相等、方向相反。如果此時手對拉環(huán)再施加一個拉力,且整個裝置保持靜止,那么杠桿對彈簧測力計拉鉤的拉力大小應(yīng)該等于手對拉環(huán)的拉力與彈簧測力計的自重之和。通過“互拉法”校零,其實質(zhì)就是用甲彈簧測力計直接測出乙彈簧測力計的自重,這樣將乙彈簧測力計的零刻度線調(diào)至該自重數(shù)值,相當于減去了彈簧測力計的自重,使得手對拉環(huán)的拉力直接等于杠桿對彈簧測力計拉鉤的拉力,而這個力的大小恰恰可以由此時彈簧測力計的示數(shù)讀出。但是采用這樣的校零方式需要用到兩個彈簧測力計,這對學(xué)生的思維能力的轉(zhuǎn)換是一個巨大的考驗。這主要是因為學(xué)生的前概念中都是只使用一個彈簧測力計就可以完成校零和測量工作,那么能否實現(xiàn)一個彈簧測力計倒掛校零呢?

圖2 探究杠桿平衡條件

4 單個彈簧測力計倒掛校零

首先,我們要了解彈簧測力計的結(jié)構(gòu),包括彈簧、秤鉤、指針和刻度盤(外殼)。當彈簧測力計倒掛在杠桿上時,彈簧測力計的自重包括彈簧、秤鉤、指針和外殼的重量,要想使手對拉環(huán)的拉力等于杠桿對秤鉤的拉力,校零的第一步就是要將彈簧測力計所有自重測量出來,所以校零問題就是:如何用一個彈簧測力計測自重?筆者認為可以將彈簧測力計拆開來分析,彈簧水平放置時處于自然伸展狀態(tài),如圖3(a)所示;當彈簧測力計豎起來放置,手提拉環(huán)時,如圖3(b)所示,秤鉤和彈簧的自重使得彈簧伸長產(chǎn)生彈力,彈力F1大小就等于彈簧重和秤鉤重;當彈簧測力計豎起來倒置,手提秤鉤如圖3(c)所示,彈簧外殼和彈簧自重使得彈簧伸長,彈力F2的大小就等于彈簧重和彈簧測力計外殼重,然后將兩次彈力示數(shù)相加,F示數(shù)＝F1＋F2＝G彈簧＋G秤鉤＋G彈簧＋G外殼,在這過程中發(fā)現(xiàn)彈簧自重測量了兩次,如果按這個示數(shù)校零,會導(dǎo)致測量結(jié)果偏小。

圖3 單個彈簧測力討巧倒掛校零

在完成測量外殼自重的實驗中,如何避免彈簧的自重導(dǎo)致彈簧二次伸長呢?為解決這個問題,首先一定不能將彈簧水平放置并自然伸展,而應(yīng)該豎直放置并使其自然伸長。我們可以直接將彈簧豎直倒立放置(秤鉤在上,拉環(huán)在下),用手拿住彈簧測力計的外殼,讓秤鉤和彈簧自然豎直放置。此時,彈簧上端與秤鉤相連,下端與拉環(huán)相連,測力計外殼的重力與手提供的支持力相互平衡,所以此時測力計中的彈簧在自身重力作用下自然伸長,此時測力計示數(shù)為彈簧的重力。直接移動刻度盤,使指針指在零刻度線上,完成對彈簧自重的校零。再手提秤鉤,外殼的自重引起彈簧伸長,此時的示數(shù)即為G外殼的重力。將前后兩次的測量示數(shù)相加,F＝F1＋G外殼＝G彈簧＋G秤鉤＋G外殼,就測量出了整個彈簧測力計的自重。相應(yīng)的,單個彈簧秤倒掛校零這個難題也就迎刃而解了。

從筆者探索解決單個彈簧測力計倒掛調(diào)零問題的過程可見,正如陳國棟教授所說:“教師所從事的教學(xué)是改造社會的輸出過程,要給學(xué)生一碗水,自己要有一桶水,并且是新鮮的,要及時更換桶中的水,這就要求教師不斷充實自己知識儲備,不能固守成規(guī)?！痹谄綍r的教學(xué)過程中,課本會介紹一些儀器的工作原理,但在使用過程中還會遇到很多細節(jié)的問題,要解決這些問題一定要認真研讀儀器的使用說明,并結(jié)合使用原理進行分析,否則就會可能產(chǎn)生一些錯誤認識并會伴隨著你的整個教學(xué)活動。如果教師在平時的教學(xué)過程中多思考、多總結(jié)儀器在不同情況下的使用技巧,多揣摩在教學(xué)實踐中遇到的具體問題,那么就可以最大限度地拓展儀器的使用空間、達到最佳教學(xué)效果。