彈簧測(cè)力計(jì)的校零并不簡(jiǎn)單

江蘇省無(wú)錫市劉潭實(shí)驗(yàn)學(xué)校(214046) 宋懷甫

關(guān)于學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)的重難點(diǎn),教師都很重視,但對(duì)于技能方面的重難點(diǎn)容易忽略,比如彈簧測(cè)力計(jì)的校零。教學(xué)中不重視實(shí)驗(yàn)的教師對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)的校零可能會(huì)不屑一顧,他們認(rèn)為只要把彈簧測(cè)力計(jì)豎直放好,使指針對(duì)準(zhǔn)零刻度線就可以了。彈簧測(cè)力計(jì)的使用果真如此簡(jiǎn)單嗎?

1 彈簧測(cè)力計(jì)校零時(shí)要消除彈簧和秤鉤重力的影響

在中學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中,經(jīng)常要用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量力的大小。在彈簧的彈性限度內(nèi),彈簧的彈力與彈簧的伸長(zhǎng)量成正比,彈簧測(cè)力計(jì)就是根據(jù)這一原理制成的。如圖1所示,彈簧測(cè)力計(jì)主要由彈簧、指針、秤鉤、刻度盤(pán)組成。

如圖2所示,把彈簧測(cè)力計(jì)先豎直放置,校正“0”點(diǎn)；然后分別水平放置、豎直倒放,指針位置分別如圖3、圖4所示。

圖1 彈簧測(cè)力計(jì)

圖2 豎直正放

圖3 水平放置

圖4 豎直倒放

從圖中可以看出,把豎直放置已經(jīng)校正“0”點(diǎn)的彈簧測(cè)力計(jì),水平放置、豎直倒放,指針不在零刻度線處,且變化較大。水平放置時(shí)指針不在零刻度線處,這主要是消除了彈簧測(cè)力計(jì)的彈簧和秤鉤重力的影響。豎直倒放時(shí)指針不在零刻度線處,主要是測(cè)力計(jì)的彈簧和秤鉤受重力的作用引起。所以,我們?cè)谑褂脧椈蓽y(cè)力計(jì)測(cè)力前,一定要把彈簧測(cè)力計(jì)按照測(cè)量時(shí)需要的位置放好,然后校正“0”點(diǎn),這樣才能根據(jù)需要消除或避免彈簧和秤鉤的重力對(duì)測(cè)量的影響。在大家的腦海中,最常見(jiàn)的校零方式是把彈簧測(cè)力計(jì)豎直放置,校正“0”點(diǎn)。如探究重力大小與物體質(zhì)量的關(guān)系時(shí),因?yàn)橹亓Φ姆较蜇Q直向下,所以要把彈簧測(cè)力計(jì)豎直放置校零。綜上所述,使用彈簧測(cè)力計(jì)時(shí)要把彈簧測(cè)力計(jì)按測(cè)量時(shí)的位置放好進(jìn)行校零,并不是總要把彈簧測(cè)力計(jì)豎直放置,校正“0”點(diǎn)。

2 彈簧測(cè)力計(jì)沿著斜面拉小車(chē)時(shí),要平行于斜面校零

蘇科版教材中,進(jìn)行功的原理教學(xué)時(shí),如圖5所示,通過(guò)探究斜面是否省力。是否省功,最后歸納出：使用斜面時(shí)省力,但不能省功。利用其他機(jī)械做功時(shí),可以得到同樣的規(guī)律,推導(dǎo)出使用任何機(jī)械都不能省功。

圖5 功的原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)

同組教師在實(shí)驗(yàn)時(shí),把彈簧測(cè)力計(jì)豎直放置,校正“0”點(diǎn)后,測(cè)出小車(chē)的重力G；把小車(chē)放在斜面上,用彈簧測(cè)力計(jì)沿著斜面勻速拉動(dòng)小車(chē)通過(guò)一段距離,讀出拉力F；然后用刻度尺測(cè)出小車(chē)移動(dòng)的距離s和小車(chē)被提升的高度h,測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可看出,拉力F小于小車(chē)重力G；拉力做的功W1小于不用機(jī)械做的功W2,即使用斜面既省力又省功,違背了功的原理。分析該實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤的原因是什么? 把彈簧測(cè)力計(jì)豎直放置,校正“0”點(diǎn),測(cè)出小車(chē)的重力G,這一步是正確的。沿著斜面勻速拉動(dòng)小車(chē)時(shí),彈簧測(cè)力計(jì)要平行于斜面。彈簧測(cè)力計(jì)平行于斜面放置時(shí),指針位置如圖6所示,由于彈簧測(cè)力計(jì)的彈簧和秤鉤重力的影響,指針不再指在“0”刻度線,沿著斜面勻速拉動(dòng)小車(chē)時(shí),測(cè)出的拉力誤差較大。找出了問(wèn)題的根源,將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。把彈簧測(cè)力計(jì)豎直放置,校正“0”點(diǎn),測(cè)出小車(chē)的重力G,然后把彈簧測(cè)力計(jì)平行于斜面放置,再次校正“0”點(diǎn)。沿著斜面勻速拉動(dòng)小車(chē)通過(guò)一段距離,測(cè)出拉力F。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理見(jiàn)表2。

圖6 平行斜面放置校零

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析表2中數(shù)據(jù)可知,拉力F小于小車(chē)的重力G；拉力F做的功W1大于不用機(jī)械做的功W2,即使用斜面時(shí)省力,但不能省功。

3 彈簧測(cè)力計(jì)倒置測(cè)量時(shí),要倒置放置校零

蘇科版教材中,探究定滑輪的工作特點(diǎn)時(shí),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖7所示。先測(cè)出鉤碼的重力G,然后用定滑輪提升鉤碼。實(shí)驗(yàn)中豎直向下拉繩端,勻速提升鉤碼,測(cè)出拉力F。在教學(xué)時(shí),我沒(méi)有過(guò)多強(qiáng)調(diào),就讓學(xué)生按照課本上的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn),數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表3。

表3 學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)彈簧測(cè)力計(jì)的拉力小于鉤碼的重力,由于滑輪的摩擦力的影響,拉力肯定略大于鉤碼的重力,拉力的測(cè)量錯(cuò)誤。一名學(xué)生講述了他的實(shí)驗(yàn)過(guò)程：把彈簧測(cè)力計(jì)豎直放置,校正“0”點(diǎn),測(cè)出鉤碼的重力G；使用定滑輪提升鉤碼,豎直向下勻速拉彈簧測(cè)力計(jì),讀出拉力F。聽(tīng)完學(xué)生的匯報(bào),筆者知道他是在彈簧測(cè)力計(jì)?！?”時(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題。筆者讓學(xué)生把彈簧測(cè)力計(jì)豎直放置,校正“0”點(diǎn)后,再把彈簧測(cè)力計(jì)倒放,觀察指針的位置是否改變? 把彈簧測(cè)力計(jì)豎直放置,校正“0”點(diǎn)后,再把彈簧測(cè)力計(jì)倒放,指針位置變化較大。筆者向?qū)W生提出問(wèn)題：彈簧測(cè)力計(jì)豎直放置校零后,再倒置放置,為什么指針不再對(duì)準(zhǔn)“0”刻度線? 學(xué)生討論后回答：是彈簧測(cè)力計(jì)的彈簧和掛鉤重力的影響。接著繼續(xù)問(wèn)：本實(shí)驗(yàn)中,測(cè)完鉤碼的重力后,應(yīng)該怎么做?學(xué)生回答：應(yīng)該把彈簧測(cè)力計(jì)豎直倒放,再次校正“0”點(diǎn)。改進(jìn)后,學(xué)生再次實(shí)驗(yàn),數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表4。

圖7 倒置放置校零

表4 數(shù)據(jù)記錄

分析數(shù)據(jù),歸納結(jié)論：使用定滑輪不能省力,但可以改變施力的方向。

從以上實(shí)驗(yàn)可看出,在使用彈簧測(cè)力計(jì)時(shí),測(cè)量前務(wù)必把彈簧測(cè)力計(jì)按測(cè)量時(shí)需要的位置放好,校正“0”點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

彈簧測(cè)力計(jì)的校零是實(shí)驗(yàn)操作中的難點(diǎn),尤其是容易忽視的難點(diǎn)。主要原因是教師考慮教學(xué)難點(diǎn),往往從考試的角度去考慮,對(duì)實(shí)驗(yàn)技能上的難點(diǎn)不重視。例如在繪制圖像的時(shí)候,忽視了如何描點(diǎn)。在斜面上拉動(dòng)物體的時(shí)候,忽略在斜面上對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)重新調(diào)零。彈簧測(cè)力計(jì)在使用前,應(yīng)該把彈簧測(cè)力計(jì)按測(cè)量時(shí)的位置放好進(jìn)行校零,這是必備的實(shí)驗(yàn)技能,也是課堂教學(xué)中容易缺失的一部分。在紙面上看起來(lái)很容易的東西,要自己實(shí)際操作,你會(huì)感覺(jué)不一樣。難度體驗(yàn)不同,解決后的感受也不一樣。學(xué)生的動(dòng)手能力,往往就是需要這樣的機(jī)會(huì)來(lái)提升。