探究托盤天平物體和砝碼放置位置對測量結(jié)果的影響

杜海峰

(甘肅省平?jīng)鍪械谒闹袑W 744000)

一、問題的提出

在實驗課《測量物體密度》教學過程中，同學們在討論誤差分析時，有同學提出了物體和砝碼位置對測量結(jié)果產(chǎn)生了影響，對此我做了以下探究.

二、文獻檢索及觀點

2003年李炳妍老師通過受力分析，認為物體或砝碼位置偏離托盤中心而產(chǎn)生的力矩會與底座內(nèi)水平拉桿產(chǎn)生的力矩相互抵消(如圖)，物體或砝碼位置對測量結(jié)果沒有影響.

2015年彭思利等3位老師通過簡單實驗，并對托盤天平的托盤下方三角刀口仔細觀察后，認為盤中砝碼位置會對托盤天平測量結(jié)果產(chǎn)生細微影響，并解釋其原因為砝碼位置偏離時，托盤下方三角刀口不夠尖銳，受力不豎直而造成.

三、實驗探究

1.實驗方法：控制變量法

2.實驗步驟

(1)將天平置于水平桌面，游碼歸零，調(diào)節(jié)天平平衡.

(2)將物體(本實驗中用一個100g的砝碼代替)置于左盤中央，將100g砝碼依此置于右盤中央，觀察天平平衡狀態(tài)，左右盤砝碼互換，觀察天平平衡狀態(tài)，以確保兩砝碼的質(zhì)量差不會對實驗產(chǎn)生干擾.再次調(diào)節(jié)平衡螺母或游碼，使天平平衡，以剔除天平不等臂對實驗產(chǎn)生的干擾.

(3)步驟2排除中干擾因素后，將物體(100g砝碼)置于左盤中央，另一個100g砝碼依此置于右盤中、左、右、前、后5個位置，觀察并記錄指針偏離中央刻度線的格數(shù)(指針偏右記錄為正值，偏左記錄為負值).

(4)將物體第二次置于左盤左側(cè)，第三次置于左盤右側(cè)，第四次置于左盤前側(cè)，第五次置于左盤后側(cè)，并于每次重復(fù)步驟2中右盤砝碼的動作，觀察并記錄指針偏離中央刻度線的格數(shù).以上25個數(shù)值測完后，再次將物體和砝碼置于托盤中央觀察記錄，以排除實驗過程操作對天平平衡的干擾.

(5)更換不同質(zhì)量的物體和砝碼，重復(fù)實驗步驟1-4.

(6)更換不同天平，重復(fù)實驗步驟1-4.

(7)分析數(shù)據(jù)，歸納結(jié)論.

3.實驗數(shù)據(jù)

4.補充實驗

作者在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)托盤下方是十字托架較松動，放置托盤后托盤容易傾斜，物體(砝碼)與托盤之間存在一定的靜摩擦力，該因素是否會對實驗產(chǎn)生影響？對此作者加固了托盤下方的十字托架和托架結(jié)構(gòu)，使托盤不會傾斜后，再次進行了實驗.數(shù)據(jù)如下：

5.實驗結(jié)論

(1)托盤天平物體和砝碼位置會對測量結(jié)果產(chǎn)生細微的影響.主要因素一是物體或砝碼未置于托盤中央時，物體或砝碼與托盤之間的摩擦力會對測量結(jié)果產(chǎn)生了影響；二是托盤下方三角刀口受力不豎直對測量結(jié)果產(chǎn)生了影響.

(2)物體位置偏離對測量結(jié)果的影響大于砝碼偏離對測量結(jié)果的影響.

(3)物體前后位置偏離對測量結(jié)果的影響大于物體左右偏離對測量結(jié)果的影響.

6.創(chuàng)新點

(1)本實驗用一個100g(50g)砝碼來代替物體，并不斷改變物體位置進行實驗，實驗更加全面.

(2)本實驗不僅實驗了物體和砝碼左右偏離對實驗的影響外，還對物體和砝碼前后偏離進行了實驗.

(3)本實驗排除了物體和砝碼質(zhì)量不相等，和天平不完全等臂兩個因素對實驗的影響.

7.實驗思考

作者在實驗過程中，由于天平不完全等臂對測量結(jié)果影響較大，比如本次利用兩個100g砝碼實驗時，調(diào)節(jié)空盤天平平衡后，左右兩盤中央各放置100g砝碼后，其中一個天平指針偏右4格，左右兩盤砝碼互換后，指針仍然偏右4格，說明天平并不完全等臂，移動游碼測量發(fā)現(xiàn)，此差異約等于為0.4g.建議使用托盤天平測量化學物品時注意校驗天平等臂問題.