用彈簧秤探究一對(duì)相互作用力大小實(shí)驗(yàn)的思考與改進(jìn)

江蘇省南京市雨花臺(tái)中學(xué)(210012) 唐保東

用2個(gè)彈簧秤互拉探究一對(duì)相互作用力大小，幾乎是牛頓第三定律教學(xué)的標(biāo)配，多個(gè)版本的教材都把這個(gè)實(shí)驗(yàn)作為課本插圖，但這個(gè)實(shí)驗(yàn)在實(shí)際操作中有相當(dāng)大的誤差。在日常教學(xué)中許多教師僅僅用一句“實(shí)驗(yàn)誤差”就輕描淡寫(xiě)而過(guò)，或是對(duì)這個(gè)問(wèn)題唯恐避之不及，更有甚者直接定義為彈簧秤不準(zhǔn)確不能做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，并以此為借口過(guò)渡到DIS實(shí)驗(yàn)探究。那么，彈簧秤究竟能不能做這個(gè)實(shí)驗(yàn)?問(wèn)題出在在哪里?筆者對(duì)此進(jìn)行了一次細(xì)致的研究。

1 彈簧秤探究相互作用力大小實(shí)驗(yàn)時(shí)誤差究竟有多大

筆者以學(xué)校實(shí)驗(yàn)室采購(gòu)的“常熟市衡器廠生產(chǎn)的百靈牌500g f測(cè)力計(jì)”在任教的3個(gè)班級(jí)中進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。在帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)真嚴(yán)格校零后，將2個(gè)彈簧秤緊貼桌面沿一條直線互拉記錄讀數(shù)，并進(jìn)行了細(xì)致的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1～3。

表1 班級(jí)A(總?cè)藬?shù)48人分為24組)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 班級(jí)B(總?cè)藬?shù)48人分為24組)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 班級(jí)C(總?cè)藬?shù)44人分為22組)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表格可以看出：當(dāng)示數(shù)為1N時(shí)，兩彈簧秤示數(shù)誤差在0.1N以內(nèi)為56組，占比80%，誤差在0.3N以內(nèi)為1組，占比1.4%，可以很好的達(dá)成探究目的；當(dāng)示數(shù)為2N時(shí)，兩彈簧秤示數(shù)誤差在0.1N以內(nèi)驟降為18組，占比25.7%，誤差在0.3N以上為9組，占比12.8%，用實(shí)驗(yàn)誤差解釋已經(jīng)很難具有說(shuō)服力了；當(dāng)示數(shù)為3N時(shí)，兩彈簧秤示數(shù)誤差在0.1N以內(nèi)僅3組，占比4.2%，誤差在0.3N以內(nèi)為1組，占比47.1%，已經(jīng)與教師希望的實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋车蓝Y了，如果拉力更大問(wèn)題更加突顯。

2 問(wèn)題出在哪里

筆者仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題不在于彈簧秤的設(shè)計(jì)原理和學(xué)生的操作上，而是出在工廠規(guī)?；a(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室日常維護(hù)這個(gè)環(huán)節(jié)上，具體如下。

其他影響彈簧勁度系數(shù)的因素很多，首先彈簧秤的氧化腐蝕程度影響了材料的組成成分，進(jìn)而影響了彈簧的彈性系數(shù)；其次彈簧的上的污垢灰塵結(jié)成塊，會(huì)讓彈簧變得緊一些進(jìn)而影響了勁度系數(shù)；另外彈簧秤經(jīng)常使用，長(zhǎng)期的形變會(huì)讓彈簧變得稍微松一點(diǎn)，導(dǎo)致勁度系數(shù)變大。

3 解決方案是什么

該如何減小實(shí)驗(yàn)誤差呢?筆者認(rèn)為可從以下兩方面改進(jìn)。

(1)重新制作刻度盤(pán)?；趶椈沙訉?shí)際匝數(shù)變化和各種影響彈簧勁度系數(shù)的因素，導(dǎo)致每個(gè)彈簧秤彈力與形變量對(duì)應(yīng)關(guān)系都是不同的，但是工業(yè)化流程生產(chǎn)的彈簧秤刻度盤(pán)都是批量制作的，從而導(dǎo)致校零后彈簧秤實(shí)際拉力與彈簧秤刻度盤(pán)不能很好的對(duì)應(yīng)，這是誤差的根源。在粗略的實(shí)驗(yàn)中尚可使用，一旦放到相對(duì)精確的實(shí)驗(yàn)中這個(gè)問(wèn)題就被暴露得淋漓盡致。所以，需要為每個(gè)彈簧秤重新制作一個(gè) “刻度盤(pán)”，具體做法是：①用一條細(xì)長(zhǎng)的紙帶貼在彈簧測(cè)力計(jì)的刻度盤(pán)上，在紙帶上標(biāo)記零刻度線并且與彈簧已有的零刻度線重合；②彈簧秤校零；③掛上2個(gè)200g的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，在紙帶上記錄指針此時(shí)的位置P，此時(shí)彈簧秤的實(shí)際拉力是400g f；④先將0刻度線到刻度P之間4等分，再將每個(gè)等分分為10等分。這時(shí)一個(gè)新的刻度盤(pán)就制作好了，是一個(gè)最大量程400g f，最小分度10g f的彈簧秤，在相應(yīng)位置標(biāo)上刻度，方便讀數(shù)。為了更具有說(shuō)服力，另一個(gè)彈簧秤可以采用500g f砝碼進(jìn)行制作，然后用這2個(gè)新的彈簧秤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(2)兩彈簧秤掛鉤直接拉在一起測(cè)量也不科學(xué)，掛鉤堅(jiān)硬不利于做實(shí)驗(yàn)，可以取一個(gè)細(xì)繩套，兩彈簧秤分別拉在細(xì)繩套上，細(xì)繩套柔軟易形變，可以讓彈簧秤真正做到水平伸長(zhǎng)，從而進(jìn)一步減小實(shí)驗(yàn)誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

用改進(jìn)后的彈簧秤和實(shí)驗(yàn)方案來(lái)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)誤差非常小，絕大多數(shù)學(xué)生都可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。教師在帶領(lǐng)學(xué)生分析誤差和重新制作刻度盤(pán)的過(guò)程中，不僅讓學(xué)生進(jìn)一步理解了胡克定律和彈簧秤的原理，也培養(yǎng)了學(xué)生的質(zhì)疑精神、分析能力和運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題能力。另外，在設(shè)計(jì)和制作彈簧稱的過(guò)程中，更讓學(xué)生感受到物理學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)與規(guī)范。