江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院(330022) 周新雅 沈林東 胡超越 周 行

“用彈簧測力計測量力”是《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》要求必須做的20個實驗之一。在初中物理教材實驗中多處涉及使用彈簧測力計，其中大多是條形盒式測力計。令人稱奇的是鮮有教材介紹條形盒式測力計在水平、傾斜和倒置狀態(tài)時如何調(diào)零，唯一有的也僅僅是在豎直向下使用時的說明。更加叫人感到困惑的是，按照一些教材描述的去使用彈簧測力計探究“定滑輪工作特點(diǎn)”時，無論是研討課還是示范課都是測量值與理論值相距甚遠(yuǎn)，一些教師每每遇到這樣的情況常將其歸結(jié)為彈簧秤使用前沒有校零、失靈和讀數(shù)不準(zhǔn)，或?qū)⑵涿枋龀赡Σ恋仍驅(qū)е碌臏y量誤差。而在一個定量測量的探究性實驗中得出的竟然是定滑輪“省力”的結(jié)論，這顯然無法幫助初學(xué)者形成正確的“定滑輪”觀念。這樣的困境是許多一線教師曾經(jīng)遇到過的，亟待深入探討和進(jìn)一步厘清。

1 按教材插圖進(jìn)行實驗發(fā)現(xiàn)定滑輪竟然“省力”

對“定滑輪工作特點(diǎn)”的探究在眾多初中物理教材中大都設(shè)置了實驗或活動，并且附帶了實驗插圖供實驗者借鑒。如滬粵2013版八年級下冊物理教材中“探究定滑輪的作用”的插圖(如圖1所示)。

圖1 教材插圖

將條形盒式測力計按照圖1所示的水平、傾斜、倒置三種狀態(tài)進(jìn)行探究，砝碼重1.5 N，通過定滑輪水平、傾斜、倒置測力計拉砝碼測力計示數(shù)分別為1.37 N、1.35 N、1.32 N。學(xué)生輕易得出“定滑輪省力”的結(jié)論，這與實驗?zāi)康牡贸觥岸ɑ啿皇×Α蓖耆车蓝Y，這也正是近些年來困惑許多一線教師的問題。

有鑒于此，有必要對定滑輪“省力”產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，將定滑輪從“省力”的歧途拉回到“不省力”的正軌上來。

2 定滑輪“省力”原因的分析

2.1 水平、傾斜狀態(tài)下使用條形盒式測力計導(dǎo)致的“省力”

在水平、傾斜狀態(tài)下，條形盒式測力計的彈簧和秤桿會由于受自身重力的影響而與外殼發(fā)生觸碰擠壓，增大了測力計本身的摩擦，從而導(dǎo)致測力計示數(shù)偏小。又由于測力計在使用之前大都要進(jìn)行調(diào)零，若是將條形盒式測力計先正立調(diào)零，再水平、傾斜使用，勢必會使得示數(shù)更進(jìn)一步偏小。這是因為在正立狀態(tài)下調(diào)零的條形盒式測力計的彈簧實際上受到其自身、秤桿以及掛鉤的重力而處于拉伸狀態(tài)，將其放置水平或者傾斜的過程中彈簧會收縮回去或拉伸變少。

有的教師提出了條形盒式測力計水平調(diào)零的方法，如《物理教學(xué)》在2016年第5期“也說彈簧測力計的調(diào)零”一文中，是按照圖2所示的方法測量條形盒式測力計在水平狀態(tài)受到的摩擦力大小，可以減小測量水平拉力時因摩擦而帶來的誤差。但是這一方法必須是在學(xué)生已經(jīng)掌握定滑輪知識的基礎(chǔ)上才能被理解和接受，而在初學(xué)定滑輪知識時就采用這種水平調(diào)零方法顯然并不合適。而且，此時的摩擦是測力計本身的摩擦和其與桌面的摩擦，若測力計并非放在桌面上水平使用，而是懸在空中水平使用，秤中的彈簧根本做不到水平，另外還會與外殼摩擦，這種水平調(diào)零方法反而會使得示數(shù)偏大，定滑輪又變成了“費(fèi)力”裝置。

圖2 測量測力計水平狀態(tài)下的摩擦力

此外，條形盒式測力計在傾斜狀態(tài)下如何調(diào)零尚無新的方法，若是按照傳統(tǒng)的在豎直方向調(diào)零再傾斜使用，示數(shù)無疑還是偏離真實值的。

2.2 倒置狀態(tài)下使用條形盒式測力計導(dǎo)致的“省力”

條形盒式測力計本身是有一定的自重的。在正立狀態(tài)下，其重力是由人或裝置提供的拉力平衡的，測量對象受到的拉力由測力計提供，因此測力計的示數(shù)大小就是測量對象受到的拉力的大小。而在倒置狀態(tài)下，其重力卻是由測量對象提供的拉力平衡的，此時測量對象所受到的拉力是測力計的重力和人的拉力之和，那測力計的示數(shù)大小就要比測量對象實際受到的拉力小。

為了避免測力計本身重力的影響，有的教師提出了一些倒置使用彈簧測力計的調(diào)零方法(用的都是條形盒式測力計)，如“持殼調(diào)零法”“倒提秤鉤調(diào)零法”“互拉調(diào)零法”等。雖然這些方法可以在一定程度上減少測力計本身重力帶來的影響，但誤差仍然較大。其中“互拉調(diào)零法”是測出條形盒式測力計的重力大小，再將其在正立狀態(tài)下將指針?biāo)傅氖緮?shù)調(diào)至與其重力大小一致的位置。若不施加拉力的情況下，正立狀態(tài)下測力計的彈簧是受到其自身、秤桿以及掛鉤的重力而處于拉伸狀態(tài)，而倒置狀態(tài)下的彈簧是受到其自身、外殼、拉環(huán)的重力而處于拉伸的狀態(tài)。很顯然，正立與倒置兩種狀態(tài)下彈簧的形變情況不一樣，所以這種“互拉調(diào)零法”仍不能“調(diào)零”。而且當(dāng)外殼、拉環(huán)的重量與秤桿、掛鉤的重量相比越大，定滑輪越“省力”。

除了條形盒式測力計之外，平板式測力計、圓筒式測力計、演示型測力計在水平、傾斜、倒置狀態(tài)下使用均存在與條形盒式測力計同樣的問題。

3 對定滑輪實驗改進(jìn)的探討

歸納總結(jié)知網(wǎng)上一線教師發(fā)表的有關(guān)“定滑輪實驗改進(jìn)”的論文，概括起來主要是從實驗方法進(jìn)行改進(jìn)的三種方法。

3.1 從實驗方法上進(jìn)行改進(jìn)

方法一：改變定滑輪兩側(cè)力的方向

將定滑輪兩側(cè)力的方向從向下改為向上(如圖3所示)，并且力都改為用測力計來提供，便于比較兩側(cè)拉力的大小。此時兩側(cè)拉力大小相等，可驗證定滑輪不省力。但是，當(dāng)水平拉動一側(cè)的條形盒式測力計時，兩測力計的示數(shù)發(fā)生了變化，而且右側(cè)的示數(shù)很明顯小于左側(cè)的示數(shù)，此時的定滑輪是“省力”的。

圖3 改變定滑輪兩側(cè)力的方向

方法二：在定滑輪另一側(cè)增加測力計

在定滑輪兩側(cè)的對應(yīng)位置上也掛上一個同種規(guī)格的條形盒式測力計(如圖4所示)，可以看出左右兩側(cè)測力計的示數(shù)相等，此時的定滑輪也是不省力的。當(dāng)斜拉右側(cè)的條形盒式測力計時，發(fā)現(xiàn)右側(cè)測力計的示數(shù)增大，此時定滑輪是“費(fèi)力”的。

圖4 在定滑輪一側(cè)增加測力計

方法三：用對應(yīng)的重物代替測力計

為了避免測力計本身摩擦和重力的影響，擯棄了測力計，取而代之的是在定滑輪另一側(cè)也掛上同樣重的鉤碼，如圖5所示。在兩側(cè)鉤碼的作用下定滑輪保持了平衡，很輕易就能得出“定滑輪不省力”這一結(jié)論。但是，這個方法只能定值驗證，對于在非定值情況下并不適用；而且拉力的方向都是豎直向下的，并不能改變。

圖5 用重物代替測力計

以上三種改進(jìn)方法都在一定程度上解決了條形盒式測力計摩擦和自重的問題，但都只能驗證豎直方向上的“定滑輪不省力”問題，而其他的方向上并未進(jìn)行驗證且不能進(jìn)行有效驗證。若在教學(xué)中只演示豎直方向上“定滑輪不省力”，并由此得出所有方向都遵循“定滑輪不省力”的結(jié)論，未免有“以偏概全”之嫌，勢必將會給學(xué)生起到一個不好的示范引領(lǐng)作用。任何實驗的成功都不是一蹴而就、信手拈來的，都需要教師提前去演練實驗、積攢經(jīng)驗、掌握技巧，只有這樣才能保證實驗取得成功。好在天無絕人之路，方法總比困難多。

3.2 從儀器選擇上進(jìn)行改進(jìn)

其實測力計的種類很多，除了常用的條形盒式測力計、圓筒式測力計外還有雙向測力計、圓盤式測力計、力傳感器等。按照可測量力的方向的多少進(jìn)行分類，測力計大致可以分為單向、雙向和多向測力計。對“定滑輪工作特點(diǎn)”的探究總能找到合適的測力計。

選擇一：雙向測力計

常見的雙向測力計如圖6所示，在物理教學(xué)和物理實驗中的用途是用來測量拉力和物體的重力，可選作驗證“定滑輪不省力”的實驗儀器。

圖6 雙向測力計

選擇二：多向測力計

圓盤式測力計是常見的多向測力計，如圖7所示。它在測量力的大小和方向方面具有的特點(diǎn)是：可測拉力和壓力；可測量各個方向力的大?。粚⒘Φ拇笮∞D(zhuǎn)化為指針轉(zhuǎn)動角度的大小。

圖7 圓盤式測力計

定滑輪的工作特點(diǎn)除了“不省力”以外，還有“可以改變力的方向”這一特點(diǎn)，而在以往的教學(xué)、演示和改進(jìn)實驗中最多只能驗證定滑輪在豎直方向上不省力，對于其他方向上“無能為力”。圓盤式測力計似乎就是為了專門解決這一問題而設(shè)計的。利用它既能夠有效地解決這種“無能為力”的困境，又可以實時動態(tài)進(jìn)行演示。用圓盤式測力計按照圖1所示進(jìn)行實驗，實驗結(jié)果如圖8所示。學(xué)生能真實地觀察和體驗到“定滑輪真的是不省力，但可以改變力的方向”。這兩個特點(diǎn)正是定滑輪實驗所要得出來的，恰好也是圓盤式測力計最適宜測量的。

圖8 實驗結(jié)果

除了圓盤式測力計之外，力傳感器也不失為一種適宜進(jìn)行定滑輪實驗探究的儀器。但由于其價格比較貴，且需要電腦和相應(yīng)軟件加以輔助。在一些發(fā)展相對緩慢的城鎮(zhèn)學(xué)校顯然較難普及，而較為便宜的圓盤測力計則更適宜這些地方的教學(xué)。

4 總結(jié)

現(xiàn)如今平板式演示測力計、條形盒式測力計、圓筒式測力計在物理教學(xué)中的使用已經(jīng)相當(dāng)普遍，由于思維定勢使得大家只要是測量力便會首先想到使用這些測力計。但是，“最常想到的測力計”卻非“最適宜的測力計”，這些測力計通過實驗將它們存在的諸多問題暴露無疑。因此，對于測力計應(yīng)該要“量力而行”，在最適宜它們發(fā)力的地方使用，發(fā)揮它們最大的作用。