用弹簧秤探究一对相互作用力大小实验的思考与改进

江苏省南京市雨花台中学(210012) 唐保东

用2个弹簧秤互拉探究一对相互作用力大小，几乎是牛顿第三定律教学的标配，多个版本的教材都把这个实验作为课本插图，但这个实验在实际操作中有相当大的误差。在日常教学中许多教师仅仅用一句“实验误差”就轻描淡写而过，或是对这个问题唯恐避之不及，更有甚者直接定义为弹簧秤不准确不能做这个实验，并以此为借口过渡到DIS实验探究。那么，弹簧秤究竟能不能做这个实验?问题出在在哪里?笔者对此进行了一次细致的研究。

1 弹簧秤探究相互作用力大小实验时误差究竟有多大

笔者以学校实验室采购的“常熟市衡器厂生产的百灵牌500g f测力计”在任教的3个班级中进行学生分组实验。在带领学生认真严格校零后，将2个弹簧秤紧贴桌面沿一条直线互拉记录读数，并进行了细致的统计，结果见表1～3。

表1 班级A(总人数48人分为24组)实验结果

表2 班级B(总人数48人分为24组)实验结果

表3 班级C(总人数44人分为22组)实验结果

从表格可以看出：当示数为1N时，两弹簧秤示数误差在0.1N以内为56组，占比80%，误差在0.3N以内为1组，占比1.4%，可以很好的达成探究目的；当示数为2N时，两弹簧秤示数误差在0.1N以内骤降为18组，占比25.7%，误差在0.3N以上为9组，占比12.8%，用实验误差解释已经很难具有说服力了；当示数为3N时，两弹簧秤示数误差在0.1N以内仅3组，占比4.2%，误差在0.3N以内为1组，占比47.1%，已经与教师希望的实验目的背道而驰了，如果拉力更大问题更加突显。

2 问题出在哪里

笔者仔细研究发现，问题不在于弹簧秤的设计原理和学生的操作上，而是出在工厂规模化生产和实验室日常维护这个环节上，具体如下。

其他影响弹簧劲度系数的因素很多，首先弹簧秤的氧化腐蚀程度影响了材料的组成成分，进而影响了弹簧的弹性系数；其次弹簧的上的污垢灰尘结成块，会让弹簧变得紧一些进而影响了劲度系数；另外弹簧秤经常使用，长期的形变会让弹簧变得稍微松一点，导致劲度系数变大。

3 解决方案是什么

该如何减小实验误差呢?笔者认为可从以下两方面改进。

(1)重新制作刻度盘。基于弹簧秤实际匝数变化和各种影响弹簧劲度系数的因素，导致每个弹簧秤弹力与形变量对应关系都是不同的，但是工业化流程生产的弹簧秤刻度盘都是批量制作的，从而导致校零后弹簧秤实际拉力与弹簧秤刻度盘不能很好的对应，这是误差的根源。在粗略的实验中尚可使用，一旦放到相对精确的实验中这个问题就被暴露得淋漓尽致。所以，需要为每个弹簧秤重新制作一个 “刻度盘”，具体做法是：①用一条细长的纸带贴在弹簧测力计的刻度盘上，在纸带上标记零刻度线并且与弹簧已有的零刻度线重合；②弹簧秤校零；③挂上2个200g的标准砝码，在纸带上记录指针此时的位置P，此时弹簧秤的实际拉力是400g f；④先将0刻度线到刻度P之间4等分，再将每个等分分为10等分。这时一个新的刻度盘就制作好了，是一个最大量程400g f，最小分度10g f的弹簧秤，在相应位置标上刻度，方便读数。为了更具有说服力，另一个弹簧秤可以采用500g f砝码进行制作，然后用这2个新的弹簧秤进行实验。

(2)两弹簧秤挂钩直接拉在一起测量也不科学，挂钩坚硬不利于做实验，可以取一个细绳套，两弹簧秤分别拉在细绳套上，细绳套柔软易形变，可以让弹簧秤真正做到水平伸长，从而进一步减小实验误差。

4 结语

用改进后的弹簧秤和实验方案来做这个实验，发现误差非常小，绝大多数学生都可以达到实验目标。教师在带领学生分析误差和重新制作刻度盘的过程中，不仅让学生进一步理解了胡克定律和弹簧秤的原理，也培养了学生的质疑精神、分析能力和运用物理知识解决实际问题能力。另外，在设计和制作弹簧称的过程中，更让学生感受到物理学的严谨与规范。