如何用弹簧测力计测竖直向下的拉力

——对2010年陕西省中考理化试题第32小题的商榷

         西安交大附中分校        王志华

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【关键词】弹簧测力计  竖直向下的拉力  调零  校对

在物理教学中，有时要用弹簧测力计测竖直向下的拉力，如在“探究杠杆的平衡条件”、“探究使用动滑轮的特点”和“测滑轮组的机械效率”的实验中，要用弹簧测力计测绳子末端竖直向下的拉力。在2010年陕西省中考理化试题32小题中，就有用弹簧测力计倒置测拉力时引发的实际问题的讨论，其最后的实验总结是：“在测量滑轮组机械效率的试验中，考虑弹簧测力计对读数的影响，测拉力时，弹簧测力计一般要竖直向上移动；若弹簧测力计倒置时测拉力，要先将指针调至零刻线处。”在苏科版义务教育课程标准实验教科书8年级物理下册有关弹簧测力计的使用方法中对弹簧测力计调零的要求是：“将弹簧测力计按测量时所需的位置放好，检查指针是否在零刻线处，若不在，应校正零点。”

其实，若是用弹簧测力计测竖直向下的拉力，弹簧测力计倒置时，无论怎样调零，测量时都存在系统误差，笔者为此做过几组对比实验，实验是用两个弹簧测力计秤钩相挂，在竖直方向上互相拉，上面的弹簧测力计正放，用来显示实际拉力的大小，下面的弹簧测力计正放或倒放，用来进行对比研究，弹簧测力计倒置时的调零分为正放调零、倒置调零和水平调零三种情况，弹簧测力计的自重为0.5N，秤钩重0.2N，实验结果如下：

由实验数据可知，弹簧测力计倒置时，无论正放调零、倒置调零还是水平调零，弹簧测力计的示数都与实际值有较大的差异，由理论分析可知，第一次实验的误差是由弹簧测力计的自重引起的，其竖直向下的拉力的实际大小应等于下方弹簧测力计的示数加上弹簧测力计的自重。第二次实验的误差是由弹簧测力计的挂钩的重引起的，其竖直向下的拉力的实际大小应等于下方弹簧测力计的示数加上弹簧测力计的秤钩重，在测量较大的拉力时，这个秤钩重可以忽略。第三次实验，下方弹簧测力计的示数也与实际值相差一个弹簧测力计的自重，这是偶然还是必然呢？经仔细分析可知，在弹簧测力计倒置调零时（弹簧测力计倒置，手握秤钩），弹簧已受到秤壳的拉力，当下方弹簧测力计的拉环再受到一个拉力时，由于下方弹簧测力计已调零，下方弹簧测力计只显示增加的拉力，但此时弹簧测力计的弹簧受到的弹力大小为增加的拉力和弹簧测力计外壳的重力之和，而下方弹簧测力计挂钩处受到的拉力为弹簧的弹力和秤钩的重之和，即等于弹簧测力计的示数与弹簧测力计自重之和，所以这种测量方法的误差也是由弹簧测力计自重引起的，其竖直向下的拉力的实际大小应等于下方弹簧测力计的示数加上弹簧测力计的自重。第四次实验，测竖直方向的拉力，而弹簧测力计在水平方向调零，是没有依据的。

回到2010年陕西省中考理化试题第32小题的实验总结的最后一句话：“若弹簧测力计倒置时测拉力，要先将指针调至零刻线处。”笔者认为这个总结是错误的，因为弹簧测力计倒置时测拉力，如果先将指针调至零刻线处，则所测拉力还是比实际拉力小一个弹簧测力计的重，在该题中，所测拉力会更小，误差会更大。且如果按该题的插图（2）所示进行调零，则这种调零方法是完全错误的，没有必要讨论。

那么，如何用弹簧测力计测竖直向下的拉力呢？通过实验误差分析可知，第二次实验误差最小，若所测拉力远大于秤钩的重，用弹簧测力计测竖直向下的拉力时，弹簧测力计应竖直正放调零，然后倒置测量，这样误差较小。若弹簧测力计自重已知，可采用第一次或第三次实验的方法测竖直向下的拉力，不过此时实际拉力的大小应该等于弹簧测力计的示数与弹簧测力计自重之和。还有一种弹簧测力计倒置测拉力的方法（参见义务教育课程标准实验教科书9年级上册《物理教师教学用书》，江苏科学技术出版社），就是在测量前要用另一弹簧测力计对倒置的弹簧测力计进行校对，方法是，取两个弹簧测力计在竖直方向上秤钩相挂（上方弹簧测力计先要正放调零），在竖直方向上拉到某一数值，调节下方测力计的指针刻度，使其示数等于上方测力计的示数，用校对过的弹簧测力计测竖直向下的拉力时，弹簧测力计的示数等于实际的拉力。

因此，在用弹簧测力计测竖直向下的拉力时，应考虑弹簧测力计自身的影响，不能想当然认为通过调零就可以解决问题。以上观点，有不妥之处，敬请商榷。

参考资料：义务教育课程标准实验教科书9年级上册《物理教师教学用书》，江苏科学技术出版社（2010年）P6

西安交大附中分校

王志华

2012年9月11日