物理实验中如何减少测量力的误差

徐锦新

（江苏省高邮市城北中学，江苏高邮 225600）

引 言

弹簧测力计使用方法可以概括为：先选择合适的弹簧测力计，注意其量程和分度值；再在所测力的方向上调零，所测力的方向要与弹簧测力计的轴线在同一直线上；在测量前先来回拉几下，使用时不能让弹簧测力计的指针与刻度盘摩 擦[1]。这是初中物理教材上对正确使用弹簧测力计的方法总结，但按以上操作，就一定能准确测量弹簧测力计拉力的大小吗？下面笔者谈谈如何在物理实验中减少测量力的误差。

一、弹簧测力计竖直使用，不一定需要重新调零

竖直方向测量力的大小，弹簧测力计的秤钩受到的拉力方向分为竖直向下、竖直向上，下面以两道例题来分析是否需要将弹簧测力计重新调零。

例1.用弹簧测力计测出一物体受到的重力是3N，然后将弹簧测力计倒过来，把秤钩固定住，将此物体挂在弹簧测力计的提环上，则弹簧测力计的示数（ ）。

A.等于3N B.大于3N C.小于3N D.等于零

物体受地球引力的作用，对秤钩有个竖直向下的拉力，从而使弹簧发生变形，弹簧为了恢复原状，对秤钩有个竖直向上的拉力，这两个力为平衡力，所以弹簧测力计的示数与物体重力相等。弹簧倒置过来后，虽然弹簧测力计受到地球引力的作用，但是因为秤钩连着弹簧固定，弹簧秤的自重会使弹簧发生形变，使弹簧测力计在没有挂物体时已经有了读数，如果不调零再挂上重物，弹簧肯定会更长，因为弹簧测力计的自重、物体重力都会使它伸长。弹簧测力计的伸长与受到的拉力成正比，所以弹簧测力计的示数就会大于3N，故选B。

但下面这道例题，就不能用上面的方法去解决了。

例2.在《探究杠杆平衡条件》的实验中，不在B 位置挂钩码，而通过弹簧测力计拉杠杆的B 点，用弹簧测力计拉B点应按图1_____________（丙/丁）所示进行，另一种拉法会使测力计的读数_____________（大于/小于）拉B 点的力。

图1

学生在做题时很容易选“丙”，因为学生在课堂上学习和使用弹簧测力计时就是挂钩上受力。其实“丙”不可以，采用丙方法的弹簧测力计是挂在了杠杆下面，然后再用手拉，这样手的拉力（弹簧测力计的示数与人对秤钩的拉力相等）加上弹簧测力计的重力就是对杠杆的拉力，所以弹簧测力计的读数偏小，不可取。那丁方案为什么可行？丁方案需不需要重新对弹簧测力计调零？大多数学生分析不清楚。在近两年的教学中，笔者对学生进行了调查、统计，选择丁选项的占学生总数的40%，选了丁，并且认为还需要再次调零的，又占了选“丁”学生数的80%。这就容易说明学生是不理解的，甚至有的教师在评讲这题的时候也会说，弹簧测力计倒转后有示数，只要重新调零，就可以准确测量了。丁选项中弹簧测力计倒转后重新调零了，它的示数为零，难道对杠杆的拉力也为零？这很明显是不成立的，学生在解决问题时往往缺乏一个假想的思考，只是根据所学的经验，就做出了武断的选择。本题倒置后应当不调零，弹簧秤有示数(示数为弹簧测力计自重），加上人对它的一个拉力，示数变大，变大的示数反映了人拉力的大小，最终弹簧测力计的示数就是杠杆所受到的拉力，这样分析才对本题为什么选“丁”做出了完美而准确的解释。

二、弹簧测力计水平使用，一定需要重新调零

在初二物理《用注射器、刻度尺、弹簧测力计去估测大气压强》的实验中，常规的做法是先“上拉环、下秤钩”对弹簧测力计调零，然后拉注射器的活塞。但在实验过程中我们发现，注射器不能竖直放置，因为活塞自身受到地球的吸引，竖直往上拉，拉力需要克服大气压力和活塞自重，拉力偏大；竖直往下拉，活塞又往下落，拉力偏小，所以只能水平拉。测力计水平放置后，弹簧及秤钩几乎不受重力，弹簧往回缩，如果不调零，读数就会偏小，所以必须重新调零。同样是测拉力，为什么这次一定需要重新调零呢？

笔者认为，要回答这个问题，就应先思考弹簧测力计的读数能不能完整地反映出弹簧测力计受到的拉力的大小。如果可以，则不需要调零，如果不可以，表明测量的力偏小，需要重新调零。我们再来分析例1，如果弹簧测力计旋转后不调零，它能反映出后来受到的拉力大小，为什么又要重新调零呢？准确来说，这个实验是没有必要重新调零的，我们需要记录挂物体之前的读数F1与挂物体之后的读数F2，两次的数据之差F2-F1就是物体重力大小。就像用刻度尺量物体长度不一定需要从0 刻度线开始测量的道理一样。倒置后重新调零，更加符合我们的测量习惯。

正是因为弹簧测力计在实际使用过程中有各式各样的变化，对学生来说有着不同的难点，所以只要提到方向，学生都感到很棘手，为了照顾所有的学生，教材中凡涉及弹簧测力计的用法都尽量做到了“上拉环、下秤钩”，就像下面的杠杆探究实验。

小明在进行完“杠杆的平衡条件”这一实验后，提出了新的探究问题：“若支点不在杠杆的中点时，杠杆的平衡条件是否仍然成立？”于是小明利用图2（右）的装置进行探究，发现测出的拉力大小与杠杆平衡条件不相符，其原因 是：______________________________________________________________________________________________。

图2

如果是需要向下拉杠杆，可以直接用钩码，钩码的重力等于对杠杆的拉力；如果用弹簧测力计，基本上是将弹簧测力计与钩码放置在支点同一侧，这样就可以保证弹簧测力计的放置方式是“上拉环、下秤钩”。这样的安排既降低了理解难度，又提高了学生实验操作的规范性。

结 语

综上所述，在初中物理实验教学中，教师需要注重培养学生分析问题的意识和能力，让他们在实验中遇到问题或困难时，先思考和探究原因，在此基础上寻找解决问题的方法[2]。 这样，学生才能真正理解实验原理，掌握实验步骤，并得出准确科学的实验结果，同时有助于其创造力的培养。