探究托盘天平物体和砝码放置位置对测量结果的影响

杜海峰

(甘肃省平凉市第四中学 744000)

一、问题的提出

在实验课《测量物体密度》教学过程中，同学们在讨论误差分析时，有同学提出了物体和砝码位置对测量结果产生了影响，对此我做了以下探究.

二、文献检索及观点

2003年李炳妍老师通过受力分析，认为物体或砝码位置偏离托盘中心而产生的力矩会与底座内水平拉杆产生的力矩相互抵消(如图)，物体或砝码位置对测量结果没有影响.

2015年彭思利等3位老师通过简单实验，并对托盘天平的托盘下方三角刀口仔细观察后，认为盘中砝码位置会对托盘天平测量结果产生细微影响，并解释其原因为砝码位置偏离时，托盘下方三角刀口不够尖锐，受力不竖直而造成.

三、实验探究

1.实验方法：控制变量法

2.实验步骤

(1)将天平置于水平桌面，游码归零，调节天平平衡.

(2)将物体(本实验中用一个100g的砝码代替)置于左盘中央，将100g砝码依此置于右盘中央，观察天平平衡状态，左右盘砝码互换，观察天平平衡状态，以确保两砝码的质量差不会对实验产生干扰.再次调节平衡螺母或游码，使天平平衡，以剔除天平不等臂对实验产生的干扰.

(3)步骤2排除中干扰因素后，将物体(100g砝码)置于左盘中央，另一个100g砝码依此置于右盘中、左、右、前、后5个位置，观察并记录指针偏离中央刻度线的格数(指针偏右记录为正值，偏左记录为负值).

(4)将物体第二次置于左盘左侧，第三次置于左盘右侧，第四次置于左盘前侧，第五次置于左盘后侧，并于每次重复步骤2中右盘砝码的动作，观察并记录指针偏离中央刻度线的格数.以上25个数值测完后，再次将物体和砝码置于托盘中央观察记录，以排除实验过程操作对天平平衡的干扰.

(5)更换不同质量的物体和砝码，重复实验步骤1-4.

(6)更换不同天平，重复实验步骤1-4.

(7)分析数据，归纳结论.

3.实验数据

4.补充实验

作者在实验过程中，发现托盘下方是十字托架较松动，放置托盘后托盘容易倾斜，物体(砝码)与托盘之间存在一定的静摩擦力，该因素是否会对实验产生影响？对此作者加固了托盘下方的十字托架和托架结构，使托盘不会倾斜后，再次进行了实验.数据如下：

5.实验结论

(1)托盘天平物体和砝码位置会对测量结果产生细微的影响.主要因素一是物体或砝码未置于托盘中央时，物体或砝码与托盘之间的摩擦力会对测量结果产生了影响；二是托盘下方三角刀口受力不竖直对测量结果产生了影响.

(2)物体位置偏离对测量结果的影响大于砝码偏离对测量结果的影响.

(3)物体前后位置偏离对测量结果的影响大于物体左右偏离对测量结果的影响.

6.创新点

(1)本实验用一个100g(50g)砝码来代替物体，并不断改变物体位置进行实验，实验更加全面.

(2)本实验不仅实验了物体和砝码左右偏离对实验的影响外，还对物体和砝码前后偏离进行了实验.

(3)本实验排除了物体和砝码质量不相等，和天平不完全等臂两个因素对实验的影响.

7.实验思考

作者在实验过程中，由于天平不完全等臂对测量结果影响较大，比如本次利用两个100g砝码实验时，调节空盘天平平衡后，左右两盘中央各放置100g砝码后，其中一个天平指针偏右4格，左右两盘砝码互换后，指针仍然偏右4格，说明天平并不完全等臂，移动游码测量发现，此差异约等于为0.4g.建议使用托盘天平测量化学物品时注意校验天平等臂问题.