自制單彈簧圓盤測力計

劉玲

摘? ?要：中學(xué)物理實驗常用的測力計中，條形盒式測力計、平板式測力計、圓筒測力計這三種測力計都是用一個軟彈簧制成的，一般用于測量豎直方向上的拉力。在測量其他方向的拉力時，存在明顯的缺點。筆者自制的“單彈簧圓盤測力計”成功地解決了上述測力計的缺點，效果較好。

關(guān)鍵詞：軟彈簧;齒條和齒輪;指針;測力計;創(chuàng)新設(shè)計

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）3-0052-2

在中學(xué)物理教學(xué)中，一般使用彈簧測力計來測量力的大小。彈簧測力計是根據(jù)在彈性限度內(nèi)彈簧產(chǎn)生的彈力和形變量成正比即胡克定律制成的。實驗室常用的彈簧測力計有條形盒式測力計、平板式測力計、圓筒測力計、圓盤測力計。其中，前三種測力計最為常見，示數(shù)是用彈簧伸長量來反映。但由于面板比較小，指示不明顯，當(dāng)水平方向、斜向使用時，由于外殼重力及摩擦力的影響，使操作不方便，讀數(shù)不準(zhǔn)。最后一種圓盤測力計，使用齒條和齒輪咬合，把彈簧的形變轉(zhuǎn)變?yōu)橹羔樀霓D(zhuǎn)動，示數(shù)由指針偏轉(zhuǎn)角度大小來反映。再通過大圓刻度盤和長指針，可以有效增大可見度。但實驗室中的圓盤測力計內(nèi)部都是雙彈簧結(jié)構(gòu)的，彈簧較硬，其勁度系數(shù)較大，在測量較小力時，指針偏轉(zhuǎn)并不明顯。

綜上所述，為了使彈簧測力計操作方便，示數(shù)顯示明顯，能測量較小的力，筆者綜合各彈簧測力計的優(yōu)點，自制了“單彈簧圓盤測力計”，在此介紹給大家。

1? ? 自制測力計材料的準(zhǔn)備

筆者利用身邊的材料和物品，通過改制和拆取等方式，制成“單彈簧圓盤測力計”需要的各組成部件。

取實驗室中平板式測力計上用的軟彈簧一根，此彈簧勁度系數(shù)小，當(dāng)施加較小拉力時就有明顯形變，用作改裝測力計主要部件之一。

從舊大掛鐘上拆取秒針一個。由于掛鐘的秒針較長，在轉(zhuǎn)動時可放大指示，用它作為圓盤測力計的指針來指示力的大小。

從廢舊收錄機上拆取滑輪一個，作為定滑輪，用于改變施加拉力的方向。

在兒童玩具上拆取一對咬合的齒條和齒輪，用于把彈簧的豎直形變轉(zhuǎn)換為齒輪的轉(zhuǎn)動。

用工具鉗把一根細(xì)鐵絲制成如圖1（a）所示的金屬框架，用于固定齒條和控制其運動軌跡，確保齒條和齒輪始終咬合在一起。

用工具鉗把大頭針制成“9”字形，如圖1（b），用于安裝金屬框架AD和CF部分，控制齒條的運動軌跡。

用實心的硬紙板制成如圖1（c）所示的支架。在紙板支架的最上端M處打一小孔，用來固定彈簧的上端。在圓盤中心O處打一個適當(dāng)大小的孔安裝齒輪。在紙板支架下端N處打一小孔，用于安裝定滑輪。最后，在圓盤另一面貼一圓形白紙，用于標(biāo)注刻度。

測力計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外觀如圖2所示，在紙板支架的圓盤中心孔O處安裝齒輪。把彈簧上端用一個長螺絲固定在紙板支架的上端小孔M處，彈簧下端和細(xì)鐵絲金屬框架中間部分B端相連，再用制成的“9”字形大頭針安裝固定金屬框架的AD和CF部分，使其只能上下移動，不能左右移動，從而保證齒條和齒輪始終咬合在一起。當(dāng)拉動金屬框架的下端G時，彈簧伸長，齒條向下移動，帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動齒輪上固定的指針轉(zhuǎn)動。

最后，在紙板支架下端小孔N處安裝定滑輪。在金屬框架下端G處系一細(xì)線，繞過定滑輪，從而可從不同方向拉動彈簧，也就可以用制成的測力計測量不同方向的拉力大小。

在紙板支架另一面圓形白紙上，以齒輪為中心畫一圓，均勻地標(biāo)上刻度。在齒輪軸上固定好用來指示力的長指針。這樣自制測力計就組裝好了。

3? ? 自制測力計的調(diào)試

（1）使指針自動回零。

在紙板支架背面，把細(xì)鐵絲制成的金屬框架稍向下拉一小段距離。在此框架橫向DE和EF兩部分上側(cè)緊挨著分別插入一顆大頭針，用以阻止彈簧恢復(fù)原長。此時，調(diào)整齒輪軸上的指針，使指針剛好在紙板支架正面刻度盤的零刻度位置。這樣，當(dāng)施加外力時，彈簧伸長，指針偏轉(zhuǎn)。當(dāng)撤去外力時，彈簧彈力能使指針自動回零，以避免各部件間微小的摩擦影響而不能自動回零。

（2）在圓形刻度盤上準(zhǔn)確標(biāo)注力的大小。

在金屬框架下端G處掛上100 g鉤碼，也就是對彈簧施加1 N大小的拉力，待穩(wěn)定時，在圓形刻度盤上指針轉(zhuǎn)到的位置標(biāo)上1 N;再掛上100 g鉤碼，也就是對彈簧施加2 N的拉力，待穩(wěn)定時，在指針偏轉(zhuǎn)到的位置標(biāo)上2 N。根據(jù)胡克定律可知ΔF=kΔx，又由于齒條和齒輪咬合，Δx與指針轉(zhuǎn)動角度Δφ成正比，因此ΔF與Δφ成正比，這樣就可在刻度盤上均勻地標(biāo)出其余刻度值的位置。

4? ? 自制測力計的優(yōu)點

（1）自制“單彈簧圓盤測力計”原理簡單，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，使用方便，有利于學(xué)生深入理解其工作原理，能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

（2）通過齒條和齒輪的組合，把彈簧形變大小轉(zhuǎn)變?yōu)殚L指針的轉(zhuǎn)動來放大顯示，增大了可見度和精確度，便于全班學(xué)生觀察和參與實驗過程。

（3）自制“單彈簧圓盤測力計”，一直保持彈簧在豎直方向上，通過定滑輪來改變力的方向，因此可測各個方向的拉力。

圖3是筆者利用自制的“單彈簧圓盤測力計”和實驗室中的傳送帶，設(shè)計實驗“探究滑動摩擦力與哪些因素有關(guān)”。把自制“單彈簧圓盤測力計”上下兩端固定在鐵架臺上，改變夾子的位置可調(diào)整其高度。在實驗中，測力計的指針偏轉(zhuǎn)明顯，清楚地顯示了滑動摩擦力的大小及變化情況。效果非常好，得到同行的好評。

（欄目編輯? ? 王柏廬）