劉玲

摘? ?要：中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)常用的測(cè)力計(jì)中，條形盒式測(cè)力計(jì)、平板式測(cè)力計(jì)、圓筒測(cè)力計(jì)這三種測(cè)力計(jì)都是用一個(gè)軟彈簧制成的，一般用于測(cè)量豎直方向上的拉力。在測(cè)量其他方向的拉力時(shí)，存在明顯的缺點(diǎn)。筆者自制的“單彈簧圓盤測(cè)力計(jì)”成功地解決了上述測(cè)力計(jì)的缺點(diǎn)，效果較好。

關(guān)鍵詞：軟彈簧;齒條和齒輪;指針;測(cè)力計(jì);創(chuàng)新設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）3-0052-2

在中學(xué)物理教學(xué)中，一般使用彈簧測(cè)力計(jì)來(lái)測(cè)量力的大小。彈簧測(cè)力計(jì)是根據(jù)在彈性限度內(nèi)彈簧產(chǎn)生的彈力和形變量成正比即胡克定律制成的。實(shí)驗(yàn)室常用的彈簧測(cè)力計(jì)有條形盒式測(cè)力計(jì)、平板式測(cè)力計(jì)、圓筒測(cè)力計(jì)、圓盤測(cè)力計(jì)。其中，前三種測(cè)力計(jì)最為常見(jiàn)，示數(shù)是用彈簧伸長(zhǎng)量來(lái)反映。但由于面板比較小，指示不明顯，當(dāng)水平方向、斜向使用時(shí)，由于外殼重力及摩擦力的影響，使操作不方便，讀數(shù)不準(zhǔn)。最后一種圓盤測(cè)力計(jì)，使用齒條和齒輪咬合，把彈簧的形變轉(zhuǎn)變?yōu)橹羔樀霓D(zhuǎn)動(dòng)，示數(shù)由指針偏轉(zhuǎn)角度大小來(lái)反映。再通過(guò)大圓刻度盤和長(zhǎng)指針，可以有效增大可見(jiàn)度。但實(shí)驗(yàn)室中的圓盤測(cè)力計(jì)內(nèi)部都是雙彈簧結(jié)構(gòu)的，彈簧較硬，其勁度系數(shù)較大，在測(cè)量較小力時(shí)，指針偏轉(zhuǎn)并不明顯。

綜上所述，為了使彈簧測(cè)力計(jì)操作方便，示數(shù)顯示明顯，能測(cè)量較小的力，筆者綜合各彈簧測(cè)力計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，自制了“單彈簧圓盤測(cè)力計(jì)”，在此介紹給大家。

1? ? 自制測(cè)力計(jì)材料的準(zhǔn)備

筆者利用身邊的材料和物品，通過(guò)改制和拆取等方式，制成“單彈簧圓盤測(cè)力計(jì)”需要的各組成部件。

取實(shí)驗(yàn)室中平板式測(cè)力計(jì)上用的軟彈簧一根，此彈簧勁度系數(shù)小，當(dāng)施加較小拉力時(shí)就有明顯形變，用作改裝測(cè)力計(jì)主要部件之一。

從舊大掛鐘上拆取秒針一個(gè)。由于掛鐘的秒針較長(zhǎng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可放大指示，用它作為圓盤測(cè)力計(jì)的指針來(lái)指示力的大小。

從廢舊收錄機(jī)上拆取滑輪一個(gè)，作為定滑輪，用于改變施加拉力的方向。

在兒童玩具上拆取一對(duì)咬合的齒條和齒輪，用于把彈簧的豎直形變轉(zhuǎn)換為齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。

用工具鉗把一根細(xì)鐵絲制成如圖1（a）所示的金屬框架，用于固定齒條和控制其運(yùn)動(dòng)軌跡，確保齒條和齒輪始終咬合在一起。

用工具鉗把大頭針制成“9”字形，如圖1（b），用于安裝金屬框架AD和CF部分，控制齒條的運(yùn)動(dòng)軌跡。

用實(shí)心的硬紙板制成如圖1（c）所示的支架。在紙板支架的最上端M處打一小孔，用來(lái)固定彈簧的上端。在圓盤中心O處打一個(gè)適當(dāng)大小的孔安裝齒輪。在紙板支架下端N處打一小孔，用于安裝定滑輪。最后，在圓盤另一面貼一圓形白紙，用于標(biāo)注刻度。

測(cè)力計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外觀如圖2所示，在紙板支架的圓盤中心孔O處安裝齒輪。把彈簧上端用一個(gè)長(zhǎng)螺絲固定在紙板支架的上端小孔M處，彈簧下端和細(xì)鐵絲金屬框架中間部分B端相連，再用制成的“9”字形大頭針安裝固定金屬框架的AD和CF部分，使其只能上下移動(dòng)，不能左右移動(dòng)，從而保證齒條和齒輪始終咬合在一起。當(dāng)拉動(dòng)金屬框架的下端G時(shí)，彈簧伸長(zhǎng)，齒條向下移動(dòng)，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)齒輪上固定的指針轉(zhuǎn)動(dòng)。

最后，在紙板支架下端小孔N處安裝定滑輪。在金屬框架下端G處系一細(xì)線，繞過(guò)定滑輪，從而可從不同方向拉動(dòng)彈簧，也就可以用制成的測(cè)力計(jì)測(cè)量不同方向的拉力大小。

在紙板支架另一面圓形白紙上，以齒輪為中心畫一圓，均勻地標(biāo)上刻度。在齒輪軸上固定好用來(lái)指示力的長(zhǎng)指針。這樣自制測(cè)力計(jì)就組裝好了。

3? ? 自制測(cè)力計(jì)的調(diào)試

（1）使指針自動(dòng)回零。

在紙板支架背面，把細(xì)鐵絲制成的金屬框架稍向下拉一小段距離。在此框架橫向DE和EF兩部分上側(cè)緊挨著分別插入一顆大頭針，用以阻止彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)。此時(shí)，調(diào)整齒輪軸上的指針，使指針剛好在紙板支架正面刻度盤的零刻度位置。這樣，當(dāng)施加外力時(shí)，彈簧伸長(zhǎng)，指針偏轉(zhuǎn)。當(dāng)撤去外力時(shí)，彈簧彈力能使指針自動(dòng)回零，以避免各部件間微小的摩擦影響而不能自動(dòng)回零。

（2）在圓形刻度盤上準(zhǔn)確標(biāo)注力的大小。

在金屬框架下端G處掛上100 g鉤碼，也就是對(duì)彈簧施加1 N大小的拉力，待穩(wěn)定時(shí)，在圓形刻度盤上指針轉(zhuǎn)到的位置標(biāo)上1 N;再掛上100 g鉤碼，也就是對(duì)彈簧施加2 N的拉力，待穩(wěn)定時(shí)，在指針偏轉(zhuǎn)到的位置標(biāo)上2 N。根據(jù)胡克定律可知ΔF=kΔx，又由于齒條和齒輪咬合，Δx與指針轉(zhuǎn)動(dòng)角度Δφ成正比，因此ΔF與Δφ成正比，這樣就可在刻度盤上均勻地標(biāo)出其余刻度值的位置。

4? ? 自制測(cè)力計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

（1）自制“單彈簧圓盤測(cè)力計(jì)”原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，使用方便，有利于學(xué)生深入理解其工作原理，能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

（2）通過(guò)齒條和齒輪的組合，把彈簧形變大小轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)指針的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)放大顯示，增大了可見(jiàn)度和精確度，便于全班學(xué)生觀察和參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

（3）自制“單彈簧圓盤測(cè)力計(jì)”，一直保持彈簧在豎直方向上，通過(guò)定滑輪來(lái)改變力的方向，因此可測(cè)各個(gè)方向的拉力。

圖3是筆者利用自制的“單彈簧圓盤測(cè)力計(jì)”和實(shí)驗(yàn)室中的傳送帶，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)“探究滑動(dòng)摩擦力與哪些因素有關(guān)”。把自制“單彈簧圓盤測(cè)力計(jì)”上下兩端固定在鐵架臺(tái)上，改變夾子的位置可調(diào)整其高度。在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)力計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)明顯，清楚地顯示了滑動(dòng)摩擦力的大小及變化情況。效果非常好，得到同行的好評(píng)。

（欄目編輯? ? 王柏廬）