物理實驗中如何減少測量力的誤差

徐錦新

（江蘇省高郵市城北中學(xué)，江蘇高郵 225600）

引 言

彈簧測力計使用方法可以概括為：先選擇合適的彈簧測力計，注意其量程和分度值；再在所測力的方向上調(diào)零，所測力的方向要與彈簧測力計的軸線在同一直線上；在測量前先來回拉幾下，使用時不能讓彈簧測力計的指針與刻度盤摩 擦[1]。這是初中物理教材上對正確使用彈簧測力計的方法總結(jié)，但按以上操作，就一定能準(zhǔn)確測量彈簧測力計拉力的大小嗎？下面筆者談?wù)勅绾卧谖锢韺嶒炛袦p少測量力的誤差。

一、彈簧測力計豎直使用，不一定需要重新調(diào)零

豎直方向測量力的大小，彈簧測力計的秤鉤受到的拉力方向分為豎直向下、豎直向上，下面以兩道例題來分析是否需要將彈簧測力計重新調(diào)零。

例1.用彈簧測力計測出一物體受到的重力是3N，然后將彈簧測力計倒過來，把秤鉤固定住，將此物體掛在彈簧測力計的提環(huán)上，則彈簧測力計的示數(shù)（ ）。

A.等于3N B.大于3N C.小于3N D.等于零

物體受地球引力的作用，對秤鉤有個豎直向下的拉力，從而使彈簧發(fā)生變形，彈簧為了恢復(fù)原狀，對秤鉤有個豎直向上的拉力，這兩個力為平衡力，所以彈簧測力計的示數(shù)與物體重力相等。彈簧倒置過來后，雖然彈簧測力計受到地球引力的作用，但是因為秤鉤連著彈簧固定，彈簧秤的自重會使彈簧發(fā)生形變，使彈簧測力計在沒有掛物體時已經(jīng)有了讀數(shù)，如果不調(diào)零再掛上重物，彈簧肯定會更長，因為彈簧測力計的自重、物體重力都會使它伸長。彈簧測力計的伸長與受到的拉力成正比，所以彈簧測力計的示數(shù)就會大于3N，故選B。

但下面這道例題，就不能用上面的方法去解決了。

例2.在《探究杠桿平衡條件》的實驗中，不在B 位置掛鉤碼，而通過彈簧測力計拉杠桿的B 點，用彈簧測力計拉B點應(yīng)按圖1_____________（丙/丁）所示進行，另一種拉法會使測力計的讀數(shù)_____________（大于/小于）拉B 點的力。

圖1

學(xué)生在做題時很容易選“丙”，因為學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)和使用彈簧測力計時就是掛鉤上受力。其實“丙”不可以，采用丙方法的彈簧測力計是掛在了杠桿下面，然后再用手拉，這樣手的拉力（彈簧測力計的示數(shù)與人對秤鉤的拉力相等）加上彈簧測力計的重力就是對杠桿的拉力，所以彈簧測力計的讀數(shù)偏小，不可取。那丁方案為什么可行？丁方案需不需要重新對彈簧測力計調(diào)零？大多數(shù)學(xué)生分析不清楚。在近兩年的教學(xué)中，筆者對學(xué)生進行了調(diào)查、統(tǒng)計，選擇丁選項的占學(xué)生總數(shù)的40%，選了丁，并且認(rèn)為還需要再次調(diào)零的，又占了選“丁”學(xué)生數(shù)的80%。這就容易說明學(xué)生是不理解的，甚至有的教師在評講這題的時候也會說，彈簧測力計倒轉(zhuǎn)后有示數(shù)，只要重新調(diào)零，就可以準(zhǔn)確測量了。丁選項中彈簧測力計倒轉(zhuǎn)后重新調(diào)零了，它的示數(shù)為零，難道對杠桿的拉力也為零？這很明顯是不成立的，學(xué)生在解決問題時往往缺乏一個假想的思考，只是根據(jù)所學(xué)的經(jīng)驗，就做出了武斷的選擇。本題倒置后應(yīng)當(dāng)不調(diào)零，彈簧秤有示數(shù)(示數(shù)為彈簧測力計自重），加上人對它的一個拉力，示數(shù)變大，變大的示數(shù)反映了人拉力的大小，最終彈簧測力計的示數(shù)就是杠桿所受到的拉力，這樣分析才對本題為什么選“丁”做出了完美而準(zhǔn)確的解釋。

二、彈簧測力計水平使用，一定需要重新調(diào)零

在初二物理《用注射器、刻度尺、彈簧測力計去估測大氣壓強》的實驗中，常規(guī)的做法是先“上拉環(huán)、下秤鉤”對彈簧測力計調(diào)零，然后拉注射器的活塞。但在實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)，注射器不能豎直放置，因為活塞自身受到地球的吸引，豎直往上拉，拉力需要克服大氣壓力和活塞自重，拉力偏大；豎直往下拉，活塞又往下落，拉力偏小，所以只能水平拉。測力計水平放置后，彈簧及秤鉤幾乎不受重力，彈簧往回縮，如果不調(diào)零，讀數(shù)就會偏小，所以必須重新調(diào)零。同樣是測拉力，為什么這次一定需要重新調(diào)零呢？

筆者認(rèn)為，要回答這個問題，就應(yīng)先思考彈簧測力計的讀數(shù)能不能完整地反映出彈簧測力計受到的拉力的大小。如果可以，則不需要調(diào)零，如果不可以，表明測量的力偏小，需要重新調(diào)零。我們再來分析例1，如果彈簧測力計旋轉(zhuǎn)后不調(diào)零，它能反映出后來受到的拉力大小，為什么又要重新調(diào)零呢？準(zhǔn)確來說，這個實驗是沒有必要重新調(diào)零的，我們需要記錄掛物體之前的讀數(shù)F1與掛物體之后的讀數(shù)F2，兩次的數(shù)據(jù)之差F2-F1就是物體重力大小。就像用刻度尺量物體長度不一定需要從0 刻度線開始測量的道理一樣。倒置后重新調(diào)零，更加符合我們的測量習(xí)慣。

正是因為彈簧測力計在實際使用過程中有各式各樣的變化，對學(xué)生來說有著不同的難點，所以只要提到方向，學(xué)生都感到很棘手，為了照顧所有的學(xué)生，教材中凡涉及彈簧測力計的用法都盡量做到了“上拉環(huán)、下秤鉤”，就像下面的杠桿探究實驗。

小明在進行完“杠桿的平衡條件”這一實驗后，提出了新的探究問題：“若支點不在杠桿的中點時，杠桿的平衡條件是否仍然成立？”于是小明利用圖2（右）的裝置進行探究，發(fā)現(xiàn)測出的拉力大小與杠桿平衡條件不相符，其原因 是：______________________________________________________________________________________________。

圖2

如果是需要向下拉杠桿，可以直接用鉤碼，鉤碼的重力等于對杠桿的拉力；如果用彈簧測力計，基本上是將彈簧測力計與鉤碼放置在支點同一側(cè)，這樣就可以保證彈簧測力計的放置方式是“上拉環(huán)、下秤鉤”。這樣的安排既降低了理解難度，又提高了學(xué)生實驗操作的規(guī)范性。

結(jié) 語

綜上所述，在初中物理實驗教學(xué)中，教師需要注重培養(yǎng)學(xué)生分析問題的意識和能力，讓他們在實驗中遇到問題或困難時，先思考和探究原因，在此基礎(chǔ)上尋找解決問題的方法[2]。 這樣，學(xué)生才能真正理解實驗原理，掌握實驗步驟，并得出準(zhǔn)確科學(xué)的實驗結(jié)果，同時有助于其創(chuàng)造力的培養(yǎng)。