“力”是看不見、摸不著的，人們最初認(rèn)識(shí)力是人類在勞動(dòng)過程中通過肌肉緊張而感覺到的.經(jīng)過進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，同學(xué)們可以通過物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變程度，或物體形變的程度來判斷物體受到力的大小.但要想更為精確地測(cè)定力的大小，就需要借助專門的儀器——測(cè)力計(jì).彈簧測(cè)力計(jì)就是一種利用彈力工作的測(cè)力計(jì)，因其制作簡(jiǎn)單、易于攜帶、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，所以比較常用.

一、彈簧測(cè)力計(jì)的制作原理

如圖1中的a和c是兩種常見的彈簧測(cè)力計(jì)，它們的主體結(jié)構(gòu)就是如圖b所示的彈簧.那么，它是如何來定量地反映力的大小呢？讓我們通過一組實(shí)驗(yàn)來說明一下：

如圖2所示，輕質(zhì)彈簧的初始位置（以箭頭所指位置為準(zhǔn)）指在1.5，在其下方掛兩個(gè)鉤碼后，箭頭指向3.5；再增加一個(gè)鉤碼后，箭頭指向4.5.

解析 當(dāng)拉力（由鉤碼的重力產(chǎn)生）越大時(shí)，彈簧伸長(zhǎng)越長(zhǎng).具體是，當(dāng)掛兩個(gè)鉤碼時(shí)，彈簧伸長(zhǎng)量是2（3.5-1.5=2），而掛三個(gè)鉤碼時(shí)，其伸長(zhǎng)是3（4.5-1.5=3），因此不難發(fā)現(xiàn)，彈簧的伸長(zhǎng)量與拉力大小成正比.在1678年，英國(guó)著名的物理學(xué)家羅伯特·胡克在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，得到了這一規(guī)律，即在彈性限度內(nèi)，伸長(zhǎng)量與拉力大小成正比.彈簧測(cè)力計(jì)的制作便依據(jù)此規(guī)律.

二、彈簧測(cè)力計(jì)的使用

胡克定律中，有一非常重要的條件：“在彈性限度內(nèi)”.什么是彈性限度呢？彈性限度是指物體在受到外力作用時(shí)，在其內(nèi)部所產(chǎn)生的抵抗外力的作用力不能超過某一極限值，若撤去外力，其形變可全部消失并恢復(fù)原狀，這一極限值稱為“彈性限度”.使物體發(fā)生形變的力若超過該值，即使外力撤消，物體也不能完全恢復(fù)原狀.通常來說，這個(gè)極限值就是該測(cè)力計(jì)的量程.因此，在使用彈簧測(cè)力計(jì)之前，首先要觀察其量程，避免過大的力損壞測(cè)力計(jì).

其次，在使用前還應(yīng)觀察刻度盤上每一小格表示多少N（即分度值），如圖3所示，其分度值是0.2N.

第三，要注意使用前校正零點(diǎn)，看指針是否指在零位置，如果不是，只需將指針在鐵絲上的位置加以調(diào)節(jié)至零刻度線即可.有些彈簧測(cè)力計(jì)是通過調(diào)節(jié)面板來進(jìn)行校零的.

第四，在使用過程中，所有的力都應(yīng)沿彈簧的中心軸線方向施加在彈簧測(cè)力計(jì)上.讀數(shù)時(shí)，觀察者應(yīng)使觀察指針示數(shù)的視線與刻度線垂直，如圖3所示.

三、彈簧測(cè)力計(jì)的工作原理

在使用彈簧測(cè)力計(jì)的過程中，有一操作細(xì)節(jié)必須引起同學(xué)們的重視，那就是“拉力應(yīng)沿彈簧的中心軸線方向施加在彈簧測(cè)力計(jì)上”.這是為什么呢？我們知道彈簧測(cè)力計(jì)是通過彈簧自身產(chǎn)生的彈力進(jìn)行工作的，而彈力的方向是與彈簧伸長(zhǎng)的方向是相反的，如圖4、圖5所示.

現(xiàn)在，我們來分析彈簧產(chǎn)生的彈力和施加在彈簧上的力的關(guān)系.如圖4，豎直向下的施加在彈簧上的拉力彈簧所產(chǎn)生的豎起向上彈力符合平衡力的條件，是一對(duì)平衡力，大小相等；同樣，在圖5中，秤鉤上水平向左的拉力與彈簧所產(chǎn)生的彈力（水平向右）也是一對(duì)平衡力.

所以，在彈簧發(fā)生彈性形變時(shí)，其彈力的大小與其所受到的外力是一對(duì)平衡力，大小是相等的.彈簧測(cè)力計(jì)的工作原理正是利用這種二力平衡的關(guān)系間接測(cè)量各種力.

為了使此二力保持平衡，所以在使用的時(shí)候，一定要注意使拉力的方向沿彈簧的中心軸線方向施加，否則，會(huì)因外力的方向與彈力方向不在同一條直線上而無法平衡，從而使得讀數(shù)不準(zhǔn)確.

四、彈簧測(cè)力計(jì)注意事項(xiàng)

除了注意一些常規(guī)要求外，還有一些問題值得同學(xué)們思考和注意的：

1.關(guān)于存在摩擦，彈簧形變不正常的情況

在使用彈簧測(cè)力計(jì)時(shí)，有時(shí)會(huì)存在秤體內(nèi)的摩擦問題，如秤鉤與外殼、刻度盤等之間的接觸摩擦等.因此在使用前，應(yīng)當(dāng)用手來回拉拽幾次，以減少摩擦對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.如果彈簧已經(jīng)明顯變形，則應(yīng)重新選擇其他測(cè)力計(jì)，否則會(huì)造成讀數(shù)錯(cuò)誤.

2.在測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的拉力、摩擦力等力時(shí)，要注意等示數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)

一般的方法是控制速度，輕拉輕拽，待示數(shù)相對(duì)變化較小的時(shí)候適時(shí)讀數(shù).

3.關(guān)于彈簧測(cè)力計(jì)自重的問題

如圖6所示，要注意題目中是否提及“輕質(zhì)彈簧測(cè)力計(jì)”或“質(zhì)量不計(jì)的彈簧測(cè)力計(jì)”等字樣，否則，讀數(shù)就會(huì)因?yàn)閺椈蓽y(cè)力計(jì)的自重而偏大了.

4.關(guān)于雙手拉彈簧時(shí)的讀數(shù)問題

如圖7所示，一位同學(xué)用雙手分別拉著彈簧測(cè)力計(jì)的秤鉤和提扣，力的大小均是1.2N，則彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為多少？此例中，如果不假思索地回答示數(shù)是2.4N.那就錯(cuò)了.

分析原因 我們可以把圖7的左手的作用看成是圖8中的墻壁所起的固定彈簧測(cè)力計(jì)一端的效果.倒過來思考：如果缺少了左手的用力（如左手松脫），那么右手在拉伸測(cè)力計(jì)的時(shí)候，一定是彈簧測(cè)力計(jì)無法固定，從而也不可能有示數(shù).這種對(duì)比方法可以很好地幫助我們認(rèn)識(shí)這一問題.

所以，在分析類似問題的時(shí)候，切不可以為所有的力都能顯示在彈簧測(cè)力計(jì)的刻度板上.

五、典型例題講析

例1 如圖9所示，彈簧測(cè)力計(jì)的測(cè)量范圍是 N，分度值為 N.彈簧測(cè)力計(jì)在測(cè)量前位于第二小格的A處，未作調(diào)整便用來測(cè)量手的拉力，指針位于B處，則手對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)的拉力為 N.

解析 彈簧測(cè)力計(jì)在使用前必須明確其量程（測(cè)量范圍）、分度值，以及校零.如果忘記校零，如本題所述，那么處理的方法就是要用讀取的示數(shù)減去起始示數(shù).

答案 0~5 0.2 2.0

例2 自制彈簧測(cè)力計(jì)時(shí)，測(cè)得彈簧原長(zhǎng)5cm，當(dāng)彈簧受5N拉力時(shí)，彈簧伸長(zhǎng)0.5cm，則當(dāng)彈簧受力后長(zhǎng)度變?yōu)?cm時(shí)，所受外力的大小應(yīng)是（ ）.

A．70N B．10N C．35N D．20N

解析 本題的解題依據(jù)是拉力與彈簧伸長(zhǎng)量成正比的原理.所要注意的是伸長(zhǎng)量而不是伸長(zhǎng)到多長(zhǎng)的問題.

當(dāng)受5N拉力的時(shí)，伸長(zhǎng)量=0.5cm；當(dāng)長(zhǎng)度變?yōu)椋穋m時(shí)，伸長(zhǎng)量=7cm-5cm=2cm.通過計(jì)算，第二次伸長(zhǎng)量是第一次伸長(zhǎng)量的4倍，因此，拉力也就是第一次拉力的4倍，即20N.本題選D.

例3 趙明準(zhǔn)備自己制作一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)，他找來彈簧、鉤碼、直尺、指針等器材.首先測(cè)出彈簧的長(zhǎng)度L0=2.10cm，然后在彈簧下掛上不同的鉤碼，測(cè)出彈簧的長(zhǎng)度L，算出比原長(zhǎng)L0的伸長(zhǎng)量△L=L-L0，填在如下表格中：

（１）從表中數(shù)據(jù)可以看出拉力F和彈簧伸長(zhǎng)量△L的關(guān)系為： .

（2）趙明繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，得到下列數(shù)據(jù)：從這次數(shù)據(jù)看出，拉力達(dá)到 N時(shí)，拉力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系就改變了．因此彈簧測(cè)力計(jì)的測(cè)量范圍只能達(dá)到 N．

解析 （1）從表中數(shù)據(jù)可以找出這規(guī)規(guī)律：■＝■＝■

＝■……＝■

亦即彈簧的伸長(zhǎng)△Ｌ與彈簧所受的拉力F成正比.

（2）從繼續(xù)實(shí)驗(yàn)的表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：■＝■＝■≠■

≠■

說明了在一定范圍內(nèi)彈簧的伸長(zhǎng)與彈簧所受的拉力成正比，超過了一定的范圍，這一規(guī)律就不成立了.對(duì)于趙明所使用的這根彈簧，拉力F=11N時(shí)拉力和彈簧的伸長(zhǎng)的關(guān)系就改變了，因而用此彈簧制作的彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量范圍只是達(dá)到0~10N.

答案 （1）F與△Ｌ成正比 （2）11 0~10

例4 巧用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)大氣壓

當(dāng)利用如圖10所示的裝置估測(cè)大氣壓時(shí)，我們推算一下：以一只直徑為6cm的皮碗為例，其面積約為28cm2，那么在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，其表面上承受的壓力約為280N之多.而僅靠一只量程為5N（實(shí)驗(yàn)室用的量程）的測(cè)力計(jì)拉起，顯然是不可行的.

另外，即使使用這樣的測(cè)力計(jì)，那么皮碗的面積要足夠小，實(shí)驗(yàn)器材中是無法提供的.

如何改進(jìn)呢？同學(xué)們可以通過如圖11所示的方法，借助杠桿的知識(shí)進(jìn)行操作就可以了.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖11.

答案 步驟：

1.將蘸水的塑料掛鉤的吸盤放在光滑水平板上，擠出里面的空氣.

2.按圖11用彈簧測(cè)力計(jì)鉤著掛鉤緩慢往下拉，直到吸盤脫離板面.

3.記錄剛剛拉脫時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)，根據(jù)杠桿平衡條件，求出大氣對(duì)吸盤的壓力.

4.再借助數(shù)學(xué)方法測(cè)出小塑料吸盤的直徑D，算出半徑r， 再測(cè)出其面積S=πr2，根據(jù)壓強(qiáng)計(jì)算公式p=F/S引導(dǎo)學(xué)生分析得出：p=F/S=F/πr2，算出大氣壓的大小.

看似很簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，蘊(yùn)藏著無窮的潛力，它有利于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的動(dòng)機(jī)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，實(shí)驗(yàn)拓展能讓學(xué)生自己動(dòng)手去做、去實(shí)踐，從中可以發(fā)現(xiàn)很多的奧秘.

六、關(guān)于彈簧測(cè)力計(jì)問題的探究

1.小華在課外探究彈簧的長(zhǎng)度跟外力的變化關(guān)系，利用如圖12所示實(shí)驗(yàn)裝置記錄了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

（1）這項(xiàng)研究在實(shí)際中的應(yīng)用是

.

（2）分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)你可得到的結(jié)論：

.

答案 （1）彈簧測(cè)力計(jì).

（2）在一定的范圍內(nèi)，彈簧的伸長(zhǎng)與受到的拉力成正比.

（3）B

2.小剛在使用彈簧測(cè)力計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)，不論什么型號(hào)的彈簧測(cè)力計(jì)，它的刻度都是均勻的，他知道彈簧測(cè)力計(jì)是根據(jù)

的道理制成的.

他想：這只是一種定性的關(guān)系，會(huì)不會(huì)有某種定量關(guān)系呢？于是他設(shè)計(jì)并完成了以下的探究實(shí)驗(yàn)：將一根彈簧的一端固定在一塊豎直放置的木板頂端，讓彈簧能夠自由地伸縮，然后將彈簧自然狀態(tài)下底端所對(duì)的位置做上記號(hào)，刻上0，接著用1N、2N、3N……8N去拉彈簧，并把每一個(gè)接力作用下彈簧底端所對(duì)的位置做上記號(hào)，再測(cè)出每一個(gè)拉力下彈簧的伸長(zhǎng).

換用另外兩根不同的彈簧重做上面的實(shí)驗(yàn)，記錄的數(shù)據(jù)如下表：

第一根：

第二根：

第三根：

請(qǐng)你幫小剛分析以下數(shù)據(jù)并回答：

（1）該實(shí)驗(yàn)可得到的結(jié)論是（定量）

.

（2）根據(jù)你分析得出的結(jié)論，將小剛忘記填上的數(shù)據(jù)估計(jì)一下，并把你估計(jì)的數(shù)據(jù)填在空格中.（假定第二根彈簧實(shí)驗(yàn)后恢復(fù)原來的狀態(tài)）

（3）用第三根彈簧做實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)用4N及以上的拉力時(shí)，彈簧的伸長(zhǎng)規(guī)律發(fā)生了變化，幫小剛找找可能的原因是什么？

答案 拉力越大，彈簧伸長(zhǎng)得越長(zhǎng)

（1）在彈性限度內(nèi)，拉力與伸長(zhǎng)量成正比.

（２）

（3）超出了第三根彈簧的彈性限度.

4.小浩制作了一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)，如圖13所示，彈簧一共20匝.經(jīng)檢驗(yàn)，該彈簧秤在測(cè)量范圍內(nèi)(0～5 N)示數(shù)是準(zhǔn)確的.該彈簧不但“伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度跟所受的拉力成正比”，而且彈簧受拉力伸長(zhǎng)時(shí)，各匝伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度都相等.

有一次不慎把彈簧靠近O端的一小部分?jǐn)D壓變形，小浩把變形的3匝剪去，并把彈簧上端重新固定在O點(diǎn)，然后把指針C適當(dāng)向下移，使它在彈簧測(cè)力計(jì)豎直放置時(shí)指針C仍然指在“O”刻線處.

（１）寫出這個(gè)新改制的彈簧測(cè)力計(jì)受到的拉力F與它的示數(shù)F測(cè)的關(guān)系式并說明理由.

（２）用這個(gè)新改制的彈簧測(cè)力計(jì)稱量一個(gè)重物，它的示數(shù)為4.0N，該物實(shí)重是多少？

答案 （１）對(duì)于一定的拉力F，彈簧改制前后每匝的伸長(zhǎng)量是相同的，但改制后的彈簧只有17匝，故總的伸長(zhǎng)量只有原來的17/20倍，而彈簧刻度的示數(shù)未變，因而示數(shù)F測(cè)與實(shí)際拉力F的關(guān)系為F測(cè)=17/20 F，或F=(20/17) F測(cè)≈1.18F測(cè).

（２）已知F測(cè)=4.0N，故F=4.0×1.18N

=4.72N，即該物實(shí)重4.72 N.

在使用和學(xué)習(xí)彈簧測(cè)力計(jì)的過程中，同學(xué)們一定會(huì)發(fā)現(xiàn)不少與其相關(guān)的有價(jià)值的問題，希望上述知識(shí)能給你的學(xué)習(xí)帶來有益的幫助.