南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校(210000) 孫桂華

1 教學(xué)背景

彈簧測(cè)力計(jì)是以胡克定律為基礎(chǔ)、利用彈簧彈性形變和外力的關(guān)系設(shè)計(jì)制作出來(lái)的一種常用測(cè)力計(jì),它不僅可以用來(lái)測(cè)量重力,還可以測(cè)量拉力、摩擦力……在蘇科版物理教材8年級(jí)下冊(cè)第8章第1節(jié)介紹了彈簧測(cè)力計(jì)的原理、結(jié)構(gòu)以及使用方法,其中教材信息快遞中關(guān)于彈簧測(cè)力計(jì)校零問(wèn)題是這樣提出的:測(cè)量前,應(yīng)檢查指針是否指在“0”刻度線上,若不在,應(yīng)校正“0”點(diǎn)。如何校正,教材中并沒(méi)有明確給出方法,學(xué)生也僅僅是根據(jù)自己的前概念來(lái)理解校零。然而校零的正確性在一定程度上關(guān)系到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此校零問(wèn)題必須引起師生重視。那么,在不同條件下測(cè)不同的力該如何校零呢?

2 彈簧測(cè)力計(jì)校零方法探究

2.1 測(cè)水平方向拉力時(shí),采用水平校零法

水平放置的彈簧測(cè)力計(jì),固定拉環(huán),沿軸線方向多次拉動(dòng)秤鉤再撤銷拉力,讓彈簧處于自然伸展的狀態(tài),再調(diào)節(jié)刻度盤,使指針指向零刻度線處即可。此時(shí),彈簧測(cè)力計(jì)自身所受重力對(duì)示數(shù)沒(méi)有影響。教材中需要水平校零彈簧秤的實(shí)驗(yàn)有:探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素、用彈簧測(cè)力計(jì)勻速拉動(dòng)木塊使其做勻速直線運(yùn)動(dòng)、通過(guò)測(cè)拉力間接得出滑動(dòng)摩擦力大小、估測(cè)大氣壓數(shù)值等。

2.2 測(cè)豎直向上拉力時(shí),采用直接校零法

使彈簧測(cè)力計(jì)豎直放置,此時(shí)彈簧自身的重力與待測(cè)拉力的方向相反,只要通過(guò)上下微調(diào)刻度盤使指針重新指在零刻度線處,以此規(guī)避彈簧自身重力帶來(lái)的影響。測(cè)物體所受重力、探究動(dòng)滑輪工作時(shí)動(dòng)滑輪的拉力等實(shí)驗(yàn)中采用直接校零法。

2.3 測(cè)豎直向下拉力時(shí),采用互拉校零法

在測(cè)豎直向下的拉力時(shí),因?yàn)閺椈勺陨碇亓εc待測(cè)拉力方向相同,則需要采用“互拉法”校零。具體方法:取2個(gè)彈簧測(cè)力計(jì),先對(duì)甲彈簧測(cè)力計(jì)直接校零,再將兩彈簧測(cè)力計(jì)秤鉤互掛,如圖1所示。讀出甲彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù),調(diào)節(jié)乙彈簧測(cè)力計(jì)的刻度盤使其示數(shù)與甲的示數(shù)相等,用倒掛調(diào)節(jié)好的乙彈簧測(cè)力計(jì)即可測(cè)量豎直向下的拉力。教材中探究杠桿平衡條件、探究定滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)這兩個(gè)部分都涉及到彈簧測(cè)力計(jì)倒掛校零問(wèn)題。

圖1 互拉校零法

3 彈簧測(cè)力計(jì)“互拉法”校零解析

前兩種校零方式學(xué)生易于理解且操作簡(jiǎn)便,是學(xué)生必須掌握的基本操作技能。而第三種“互拉式”校零相對(duì)來(lái)說(shuō)原理復(fù)雜,學(xué)生不易真正理解其中的原理。筆者發(fā)現(xiàn)教師在引導(dǎo)學(xué)生探究杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)時(shí),一般都會(huì)用鉤碼代替彈簧測(cè)力計(jì)。這樣的確可以避免用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)豎直向下的拉力時(shí)的校零問(wèn)題,但接下來(lái)學(xué)習(xí)“探究定滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)”時(shí),學(xué)生可能面對(duì)校零問(wèn)題不知所措,可見“互拉式”校零法必須透徹理解并且熟練掌握。

那么“互拉式”校零法的基本原理是什么,筆者將通過(guò)一個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明。如圖2所示,將彈簧測(cè)力計(jì)倒掛于杠桿上,并使其處于靜止?fàn)顟B(tài),此時(shí)杠桿對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)拉鉤的作用力與彈簧測(cè)力計(jì)自身所受的重力大小相等、方向相反。如果此時(shí)手對(duì)拉環(huán)再施加一個(gè)拉力,且整個(gè)裝置保持靜止,那么杠桿對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)拉鉤的拉力大小應(yīng)該等于手對(duì)拉環(huán)的拉力與彈簧測(cè)力計(jì)的自重之和。通過(guò)“互拉法”校零,其實(shí)質(zhì)就是用甲彈簧測(cè)力計(jì)直接測(cè)出乙彈簧測(cè)力計(jì)的自重,這樣將乙彈簧測(cè)力計(jì)的零刻度線調(diào)至該自重?cái)?shù)值,相當(dāng)于減去了彈簧測(cè)力計(jì)的自重,使得手對(duì)拉環(huán)的拉力直接等于杠桿對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)拉鉤的拉力,而這個(gè)力的大小恰恰可以由此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)讀出。但是采用這樣的校零方式需要用到兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì),這對(duì)學(xué)生的思維能力的轉(zhuǎn)換是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。這主要是因?yàn)閷W(xué)生的前概念中都是只使用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)就可以完成校零和測(cè)量工作,那么能否實(shí)現(xiàn)一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)倒掛校零呢?

圖2 探究杠桿平衡條件

4 單個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)倒掛校零

首先,我們要了解彈簧測(cè)力計(jì)的結(jié)構(gòu),包括彈簧、秤鉤、指針和刻度盤(外殼)。當(dāng)彈簧測(cè)力計(jì)倒掛在杠桿上時(shí),彈簧測(cè)力計(jì)的自重包括彈簧、秤鉤、指針和外殼的重量,要想使手對(duì)拉環(huán)的拉力等于杠桿對(duì)秤鉤的拉力,校零的第一步就是要將彈簧測(cè)力計(jì)所有自重測(cè)量出來(lái),所以校零問(wèn)題就是:如何用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)自重?筆者認(rèn)為可以將彈簧測(cè)力計(jì)拆開來(lái)分析,彈簧水平放置時(shí)處于自然伸展?fàn)顟B(tài),如圖3(a)所示;當(dāng)彈簧測(cè)力計(jì)豎起來(lái)放置,手提拉環(huán)時(shí),如圖3(b)所示,秤鉤和彈簧的自重使得彈簧伸長(zhǎng)產(chǎn)生彈力,彈力F1大小就等于彈簧重和秤鉤重;當(dāng)彈簧測(cè)力計(jì)豎起來(lái)倒置,手提秤鉤如圖3(c)所示,彈簧外殼和彈簧自重使得彈簧伸長(zhǎng),彈力F2的大小就等于彈簧重和彈簧測(cè)力計(jì)外殼重,然后將兩次彈力示數(shù)相加,F示數(shù)＝F1＋F2＝G彈簧＋G秤鉤＋G彈簧＋G外殼,在這過(guò)程中發(fā)現(xiàn)彈簧自重測(cè)量了兩次,如果按這個(gè)示數(shù)校零,會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏小。

圖3 單個(gè)彈簧測(cè)力討巧倒掛校零

在完成測(cè)量外殼自重的實(shí)驗(yàn)中,如何避免彈簧的自重導(dǎo)致彈簧二次伸長(zhǎng)呢?為解決這個(gè)問(wèn)題,首先一定不能將彈簧水平放置并自然伸展,而應(yīng)該豎直放置并使其自然伸長(zhǎng)。我們可以直接將彈簧豎直倒立放置(秤鉤在上,拉環(huán)在下),用手拿住彈簧測(cè)力計(jì)的外殼,讓秤鉤和彈簧自然豎直放置。此時(shí),彈簧上端與秤鉤相連,下端與拉環(huán)相連,測(cè)力計(jì)外殼的重力與手提供的支持力相互平衡,所以此時(shí)測(cè)力計(jì)中的彈簧在自身重力作用下自然伸長(zhǎng),此時(shí)測(cè)力計(jì)示數(shù)為彈簧的重力。直接移動(dòng)刻度盤,使指針指在零刻度線上,完成對(duì)彈簧自重的校零。再手提秤鉤,外殼的自重引起彈簧伸長(zhǎng),此時(shí)的示數(shù)即為G外殼的重力。將前后兩次的測(cè)量示數(shù)相加,F＝F1＋G外殼＝G彈簧＋G秤鉤＋G外殼,就測(cè)量出了整個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的自重。相應(yīng)的,單個(gè)彈簧秤倒掛校零這個(gè)難題也就迎刃而解了。

從筆者探索解決單個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)倒掛調(diào)零問(wèn)題的過(guò)程可見,正如陳國(guó)棟教授所說(shuō):“教師所從事的教學(xué)是改造社會(huì)的輸出過(guò)程,要給學(xué)生一碗水,自己要有一桶水,并且是新鮮的,要及時(shí)更換桶中的水,這就要求教師不斷充實(shí)自己知識(shí)儲(chǔ)備,不能固守成規(guī)?！痹谄綍r(shí)的教學(xué)過(guò)程中,課本會(huì)介紹一些儀器的工作原理,但在使用過(guò)程中還會(huì)遇到很多細(xì)節(jié)的問(wèn)題,要解決這些問(wèn)題一定要認(rèn)真研讀儀器的使用說(shuō)明,并結(jié)合使用原理進(jìn)行分析,否則就會(huì)可能產(chǎn)生一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)并會(huì)伴隨著你的整個(gè)教學(xué)活動(dòng)。如果教師在平時(shí)的教學(xué)過(guò)程中多思考、多總結(jié)儀器在不同情況下的使用技巧,多揣摩在教學(xué)實(shí)踐中遇到的具體問(wèn)題,那么就可以最大限度地拓展儀器的使用空間、達(dá)到最佳教學(xué)效果。