再談彈簧測力計使用前的校零

吉臨榮

摘 要：本刊2017年第1期刊載了陳寶軍和周同仕兩位老師的文章《例析彈簧測力計使用前的校零》[1]，文中提出了“用彈簧測力計測不同方向的拉力時，也應(yīng)在相應(yīng)的方向上校零”和彈簧測力計秤鉤倒掛時可用“直接校零”和“互拉法”校零的觀點(diǎn).筆者在本文中從受力分析的角度對彈簧測力計使用前的兩種校零方法適用范圍提出異議，同時解決物理老師在教學(xué)過程中存在的幾個疑難問題.

關(guān)鍵詞：彈簧測力計；不同方向使用；直接校零；“互拉法”校零

《中學(xué)物理》2017年第1期（P34～36）刊載了陳寶軍和周同仕兩位老師的文章《例析彈簧測力計使用前的校零》，文中歸納了用彈簧測力計測豎直向上、水平方向、豎直向下、斜向下方向上的拉力的校零方法，提出了“用彈簧測力計測不同方向的拉力時，也應(yīng)在相應(yīng)的方向上校零”的做法，解決了長期以來多數(shù)物理教師認(rèn)為“不論測什么方向拉力，只需要在豎直方向上一次校零”的錯誤做法，對教師的教學(xué)有一定的指導(dǎo)價值.

原文中在用秤鉤倒掛的彈簧測力計測豎直向下的拉力時，提出了可“直接校零”和“互拉法”校零，并在“探究杠桿平衡條件”實(shí)驗(yàn)中將兩種校零方法進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，從而得出“用‘互拉法校零誤差極小”的結(jié)論.有些老師問，彈簧測力計在同樣情況下使用，兩種校零方法為什么會帶來差異呢？帶著此問題，筆者從受力分析的角度對彈簧測力計使用前的校零問題進(jìn)行了再思考.其中有關(guān)“直接校零”和“互拉法”校零的觀點(diǎn)與陳寶軍和周同仕兩位老師的看法不完全相同，供大家商討.

1 彈簧測力計使用前如何校零

校零是測量工具在使用前使指針指在零刻度線上的過程.彈簧測力計是測量力的大小的工具，在使用前會因某些因素的影響使指針不在零刻度線，常采用微調(diào)刻度板位置的方法使指針回到零刻度線.那么，除了刻度盤自身位置的原因，還有哪些因素導(dǎo)致彈簧測力計的指針不在零刻度線上呢？

1.1 測水平方向的拉力

如圖1，此時彈簧的自身重力方向豎直向下，對彈簧的伸長沒有影響，彈簧處于自然伸長狀態(tài).

校零方法可用“直接校零”法，具體操作有兩種.一是原文提及的“將彈簧測力計平放在水平桌面上，拉動秤鉤和拉環(huán)，并逐漸撤消拉力，使秤鉤和拉環(huán)都處于彈簧軸線上，彈簧自然伸展時，觀察指針，調(diào)節(jié)刻度盤，使指針指在零刻度線處”；二是手拿彈簧測力計的外殼在水平方向平放，使彈簧測力計中的彈簧在水平方向上，用手指多次彈振彈簧測力計的外殼，減少因秤鉤、金屬桿的重力作用與外殼之間的摩擦影響彈簧的自由伸展，再調(diào)節(jié)刻度盤，使指針對準(zhǔn)零刻度線上.這兩種校零方法相比較是前一種方法好些.

水平方向的校零在初中物理探究滑動摩擦力大小的影響因素和估測大氣壓的實(shí)驗(yàn)中用到.

1.2 測豎直方向的拉力

測豎直方向的拉力又可分為兩種情況.一是測豎直向上的拉力，二是測豎直向下的拉力.

1.2.1 測豎直向上的拉力

此時，彈簧測力計的吊環(huán)在上、掛鉤朝下，如圖2.彈簧在自身重力和秤鉤的重力作用下，會向下伸長一小段長度.

這是最典型的、常用的“直接校零”法，也是學(xué)生必須學(xué)會的校零方法.具體操作是用手拿住彈簧測力計的外殼或吊環(huán)，使彈簧測力計的彈簧在豎直方向上受秤鉤和金屬桿的重力作用下自然伸長，然后上下微調(diào)刻度盤，使指針對準(zhǔn)零刻度線即可.

從理論上分析，如果彈簧測力計在水平方向上校零后再豎直方向使用，指針會向下移動一小段刻度，此時需要向下移動刻度盤再校零.反之，彈簧測力計在豎直方向上校零后再水平方向使用，指針將回縮到零刻度上方，需要向吊環(huán)方向移動刻度盤再校零.從實(shí)際上看，這兩者的偏差比較小.

這種校零方法在初中物理測量物體的重力、測量動滑輪的拉力（如圖3）、探究杠桿的平衡條件（如圖4情形）實(shí)驗(yàn)中用到.在測量物體的重力實(shí)驗(yàn)中，重力的方向是豎直向下的，根據(jù)二力平衡條件，物體豎直向下的重力等于彈簧測力計向上的拉力，所以測量物體的重力屬于測量豎直向上拉力的類型.

1.2.2 測豎直向下的拉力

此時，彈簧測力計的吊環(huán)在下、掛鉤朝上，如圖5.彈簧測力計中的彈簧上下端位置對調(diào)，由彈簧的B點(diǎn)受到拉力作用變?yōu)閺椈傻腁點(diǎn)受到拉力作用.彈簧測力計中的彈簧在自身重力的作用下和彈簧A點(diǎn)受到彈簧測力計的外殼（包括吊環(huán)）的重力作用下已有明顯的伸長.

這種情況下彈簧測力計如何校零呢？關(guān)鍵要看測量什么力.

如果要測量吊環(huán)受到人手向下的拉力，那么可采用“直接校零”.即在此情況下，用手拿住彈簧測力計的外殼，直接移動刻度盤，使指針指在零刻度線上.當(dāng)然，有些彈簧測力計的刻度盤移動范圍會受到限制，而且這種情況在初中物理實(shí)驗(yàn)中沒有涉及到.

如果要測量掛鉤向下的拉力，那么就不能采用“直接校零”，而必須采用物理教師教學(xué)用書（9年級下冊） [2]中介紹的“互拉法”校零.具體操作是先將彈簧測力計甲在吊環(huán)在上、掛鉤朝下時校零，再將待用的彈簧測力計乙吊環(huán)在下、掛鉤朝上，按如圖6豎直方向放置，秤鉤相掛互拉，在豎直方向拉到某一數(shù)值時，調(diào)節(jié)彈簧測力計乙的刻度盤，使其指針的示數(shù)與彈簧測力計甲的示數(shù)相等.

這種校零方法在初中物理測量定滑輪的拉力、測定滑輪組的機(jī)械效率、探究杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)中用到；上述實(shí)驗(yàn)中都是測量掛鉤對繩向下的拉力，所以都只能用“互拉法”校零.

從圖7可看出，彈簧測力計甲所測量的力是彈簧測力計乙自身的重力和吊環(huán)受到人手向下的拉力. 進(jìn)一步分析也可知道，測豎直向下的拉力時，“直接校零”和“互拉法”校零的根本區(qū)別是所測的力不同，彈簧測力計“直接校零”后是測量吊環(huán)受到人手向下的拉力，而“互拉法”校零后是測量掛鉤向下的拉力.這里特別要強(qiáng)調(diào)區(qū)分的是“吊環(huán)受到人手向下的拉力”和“掛鉤向下的拉力”，若設(shè)“吊環(huán)受到人手向下的拉力”為F1，“掛鉤向下的拉力”為F2，彈簧測力計自身的重力為G，

它們之間的關(guān)系是F2= F1+G. 由于“互拉法”校零刻度盤移動范圍有時也會受到彈簧測力計種類的限制，根據(jù)上述分析，有一種比“互拉法”校零更簡便、更實(shí)用的測量操作，先將彈簧測力計甲和乙都在吊環(huán)在上、掛鉤朝下時校零，并用彈簧測力計甲測出彈簧測力計乙的重力G；再將彈簧測力計乙吊環(huán)在上、掛鉤朝下放置，如圖8所示，最后所測拉力大小就等于彈簧測力計乙的讀數(shù)加上彈簧測力計乙的重力G.

2 在教學(xué)過程中的幾個疑難問題

（1）在探究杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)中，彈簧測力計自身有重力，對杠桿也有向下的拉力作用，而且產(chǎn)生的力矩對杠桿的平衡肯定有影響.在實(shí)驗(yàn)過程中為什么不去考慮消除彈簧測力計自身重力對杠桿平衡的影響，而要去考慮彈簧測力計的校零呢？

通過1.2.2中受力分析可以看出，用彈簧測力計 “互拉法”校零后測出的拉力是吊環(huán)受到手向下的拉力和彈簧測力計自身重力的和，實(shí)際上就是考慮了彈簧測力計的重力對杠桿平衡的影響，使實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)更加可靠.

（2）同樣是彈簧測力計倒置后校零，實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該是一樣的.為什么兩種校零方法在探究杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)中還存在較大誤差呢？

通過1.2.2中受力分析可以看出，在探究杠桿平衡的條件實(shí)驗(yàn)中不應(yīng)該采取“直接校零”，而應(yīng)該采用“互拉法”校零，兩者的區(qū)別前者測量的是“吊環(huán)受到人手向下的拉力”，后者測量的是“掛鉤向下的拉力”，兩種校零方法的差值是彈簧測力計的秤鉤的重力.

其實(shí)原文中提供的測量數(shù)據(jù)本身也表明“直接校零”誤差較大，不可取.

表格中數(shù)據(jù)是使用分度值為0.1N的彈簧測力計測得的，從表格中數(shù)據(jù)可知，用“互拉法”校零測量的數(shù)據(jù)得到杠桿的平衡條件更具有說服力.進(jìn)一步分析表一和表二中彈簧測力計F2的對應(yīng)數(shù)據(jù)，其差值在0.15～0.09N之間，考慮測量誤差，這個差值趨于一個固定值，即為彈簧測力計秤鉤的重力.

（3）“直接校零”和“互拉法”校零各適用于哪些情況？

“互拉法”校零是以先將一只彈簧測力計“直接校零”后為前提，再對另一只彈簧測力計采用的校零方法.

若彈簧測力計在水平方向使用，已在水平方向用“直接校零”的一只彈簧測力計，再在水平方向用“互拉法”校零另一只彈簧測力計，沒有必要.

若用彈簧測力計測量豎直向上的拉力時，采用“直接校零”，而不采用“互拉法”校零.測量豎直向下的拉力時，常采用“互拉法”校零或本文中介紹的補(bǔ)償彈簧測力計自身重力的測量方法.

若用彈簧測力計測量沿斜面方向的拉力時，也分兩種情況校零.如果測量沿斜面向上的拉力，采用“直接校零”，將彈簧測力計沿斜面方向放置，吊環(huán)在上、掛鉤在下，使彈簧自然伸展，調(diào)節(jié)刻度盤，使指針指在零刻度線上.如果測量沿斜面向下的拉力，就采用“互拉法”校零，先將彈簧測力計甲吊環(huán)在上、掛鉤朝下沿斜面方向放置好校零，再將待用的彈簧測力計乙吊環(huán)在下、掛鉤朝上沿斜面方向放置，秤鉤相掛互拉，在豎直方向拉到某一數(shù)值時，調(diào)節(jié)彈簧測力計乙的刻度盤，使其示數(shù)與彈簧測力計甲的示數(shù)相等即可.

（4）在平時教學(xué)中，彈簧測力計使用前的校零需要教學(xué)到什么深度？

彈簧測力計在使用前的校零問題，對于教師和學(xué)生而言，教與學(xué)的深度各有所不同.

對于學(xué)生而言，在學(xué)會彈簧測力計測量豎直向上的拉力時采用“直接校零”的前提下，進(jìn)一步“知道彈簧測力計在什么方向上使用，就必須在什么方向上校零”就可以了.其它校零方法已超出了初中生學(xué)習(xí)的范圍，在測量定滑輪的拉力、滑輪組機(jī)械效率和探究杠桿平衡條件等實(shí)驗(yàn)中，常采用增加鉤碼的重力以減小彈簧測力計自身重力對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，因?yàn)殂^碼的越重，彈簧測力計的示數(shù)就越接近掛鉤向下的拉力，這種忽略次要因素法便于學(xué)生學(xué)習(xí)主要內(nèi)容.另一方面，學(xué)生實(shí)驗(yàn)室使用的彈簧測力計本身制作工藝簡單、測量數(shù)值的準(zhǔn)確度也較低.2017年1月，無錫市九年級期末教學(xué)質(zhì)量抽測卷第26題對彈簧測力計的校零考查就恰到好處.題目（內(nèi)容有刪減）：

小明和小華利用如圖9所示的裝置來探究“杠桿的平衡條件”.

（1）小明對如圖9甲的彈簧測力計進(jìn)行調(diào)零，然后測出1個鉤碼重為0.5N.

（2）如圖9乙，小華在杠桿A點(diǎn)掛上3個同樣的鉤碼，小明將彈簧測力計倒置后，在杠桿B點(diǎn)豎直向下拉住杠桿，小華提醒小明彈簧測力計需要再次調(diào)零，小明認(rèn)為已經(jīng)調(diào)零了，不需要再次調(diào)零，你認(rèn)為 （ 選填“小明”或“小華”）的想法是正確的.

對教師而言，“要給學(xué)生一杯水，教師要擁有一桶水”.不但要知道彈簧測力計測不同方向力的具體校零方法，而且要知道采用這種方法的原因.2016年12月，在無錫市初中物理教師實(shí)驗(yàn)操作技能比賽中，就出了這樣一道實(shí)驗(yàn)操作題，考查教師對教材解讀能力和實(shí)驗(yàn)操作能力.

探究杠桿平衡條件

【供選器材】鐵架臺、杠桿，彈簧測力計2只，鉤碼一盒.

【要求】探究杠桿的平衡條件，設(shè)計表格記錄結(jié)果.

【評分標(biāo)準(zhǔn)】（部分）

（1）彈簧測力計調(diào)零（1分）.

（2）知道分別采用改變動力臂、阻力臂、阻力來測得三組數(shù)據(jù)（2分）.“采用兩邊掛鉤碼的方式”獲得數(shù)據(jù)不得分.

筆者說明：在測量鉤碼重力時需要采用“直接校零”；在測量向下拉力時，需要采用“互拉法”校零或本文中介紹的補(bǔ)償彈簧測力計自身重力的測量方法，器材中提供了兩只彈簧測力計目的就是此.另外，蘇科版九年級物理教材上冊2015年版本已將“采用兩邊掛鉤碼的方式”改為“左端掛鉤碼、右端用彈簧測力計向下拉的方式”，如圖10，此要求考查教師對教材的解讀能力.

以上淺見，供同仁參考.

參考文獻(xiàn)：

[1]陳寶軍，周同仕.例析彈簧測力計使用前的校零[J].中學(xué)物理.2017（1）：34～36.

[2]劉炳昇，李容.物理教師教學(xué)用書（9年級下冊）[M]江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社.2013（06）：6.