自制单弹簧圆盘测力计
刘玲
摘? ?要：中学物理实验常用的测力计中，条形盒式测力计、平板式测力计、圆筒测力计这三种测力计都是用一个软弹簧制成的，一般用于测量竖直方向上的拉力。在测量其他方向的拉力时，存在明显的缺点。笔者自制的“单弹簧圆盘测力计”成功地解决了上述测力计的缺点，效果较好。
关键词：软弹簧;齿条和齿轮;指针;测力计;创新设计
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）3-0052-2
在中学物理教学中，一般使用弹簧测力计来测量力的大小。弹簧测力计是根据在弹性限度内弹簧产生的弹力和形变量成正比即胡克定律制成的。实验室常用的弹簧测力计有条形盒式测力计、平板式测力计、圆筒测力计、圆盘测力计。其中，前三种测力计最为常见，示数是用弹簧伸长量来反映。但由于面板比较小，指示不明显，当水平方向、斜向使用时，由于外壳重力及摩擦力的影响，使操作不方便，读数不准。最后一种圆盘测力计，使用齿条和齿轮咬合，把弹簧的形变转变为指针的转动，示数由指针偏转角度大小来反映。再通过大圆刻度盘和长指针，可以有效增大可见度。但实验室中的圆盘测力计内部都是双弹簧结构的，弹簧较硬，其劲度系数较大，在测量较小力时，指针偏转并不明显。
综上所述，为了使弹簧测力计操作方便，示数显示明显，能测量较小的力，笔者综合各弹簧测力计的优点，自制了“单弹簧圆盘测力计”，在此介绍给大家。
1? ? 自制测力计材料的准备
笔者利用身边的材料和物品，通过改制和拆取等方式，制成“单弹簧圆盘测力计”需要的各组成部件。
取实验室中平板式测力计上用的软弹簧一根，此弹簧劲度系数小，当施加较小拉力时就有明显形变，用作改装测力计主要部件之一。
从旧大挂钟上拆取秒針一个。由于挂钟的秒针较长，在转动时可放大指示，用它作为圆盘测力计的指针来指示力的大小。
从废旧收录机上拆取滑轮一个，作为定滑轮，用于改变施加拉力的方向。
在儿童玩具上拆取一对咬合的齿条和齿轮，用于把弹簧的竖直形变转换为齿轮的转动。
用工具钳把一根细铁丝制成如图1（a）所示的金属框架，用于固定齿条和控制其运动轨迹，确保齿条和齿轮始终咬合在一起。
用工具钳把大头针制成“9”字形，如图1（b），用于安装金属框架AD和CF部分，控制齿条的运动轨迹。
用实心的硬纸板制成如图1（c）所示的支架。在纸板支架的最上端M处打一小孔，用来固定弹簧的上端。在圆盘中心O处打一个适当大小的孔安装齿轮。在纸板支架下端N处打一小孔，用于安装定滑轮。最后，在圆盘另一面贴一圆形白纸，用于标注刻度。
测力计的内部结构及外观如图2所示，在纸板支架的圆盘中心孔O处安装齿轮。把弹簧上端用一个长螺丝固定在纸板支架的上端小孔M处，弹簧下端和细铁丝金属框架中间部分B端相连，再用制成的“9”字形大头针安装固定金属框架的AD和CF部分，使其只能上下移动，不能左右移动，从而保证齿条和齿轮始终咬合在一起。当拉动金属框架的下端G时，弹簧伸长，齿条向下移动，带动齿轮转动，从而带动齿轮上固定的指针转动。
最后，在纸板支架下端小孔N处安装定滑轮。在金属框架下端G处系一细线，绕过定滑轮，从而可从不同方向拉动弹簧，也就可以用制成的测力计测量不同方向的拉力大小。
在纸板支架另一面圆形白纸上，以齿轮为中心画一圆，均匀地标上刻度。在齿轮轴上固定好用来指示力的长指针。这样自制测力计就组装好了。
3? ? 自制测力计的调试
（1）使指针自动回零。
在纸板支架背面，把细铁丝制成的金属框架稍向下拉一小段距离。在此框架横向DE和EF两部分上侧紧挨着分别插入一颗大头针，用以阻止弹簧恢复原长。此时，调整齿轮轴上的指针，使指针刚好在纸板支架正面刻度盘的零刻度位置。这样，当施加外力时，弹簧伸长，指针偏转。当撤去外力时，弹簧弹力能使指针自动回零，以避免各部件间微小的摩擦影响而不能自动回零。
（2）在圆形刻度盘上准确标注力的大小。
在金属框架下端G处挂上100 g钩码，也就是对弹簧施加1 N大小的拉力，待稳定时，在圆形刻度盘上指针转到的位置标上1 N;再挂上100 g钩码，也就是对弹簧施加2 N的拉力，待稳定时，在指针偏转到的位置标上2 N。根据胡克定律可知ΔF=kΔx，又由于齿条和齿轮咬合，Δx与指针转动角度Δφ成正比，因此ΔF与Δφ成正比，这样就可在刻度盘上均匀地标出其余刻度值的位置。
4? ? 自制测力计的优点
（1）自制“单弹簧圆盘测力计”原理简单，结构不复杂，使用方便，有利于学生深入理解其工作原理，能激发学生的创新意识。
（2）通过齿条和齿轮的组合，把弹簧形变大小转变为长指针的转动来放大显示，增大了可见度和精确度，便于全班学生观察和参与实验过程。
（3）自制“单弹簧圆盘测力计”，一直保持弹簧在竖直方向上，通过定滑轮来改变力的方向，因此可测各个方向的拉力。
图3是笔者利用自制的“单弹簧圆盘测力计”和实验室中的传送带，设计实验“探究滑动摩擦力与哪些因素有关”。把自制“单弹簧圆盘测力计”上下两端固定在铁架台上，改变夹子的位置可调整其高度。在实验中，测力计的指针偏转明显，清楚地显示了滑动摩擦力的大小及变化情况。效果非常好，得到同行的好评。
（栏目编辑? ? 王柏庐）
