探究托盤天平物體和砝碼放置位置對測量結果的影響

杜海峰

(甘肅省平涼市第四中學 744000)

一、問題的提出

在實驗課《測量物體密度》教學過程中，同學們在討論誤差分析時，有同學提出了物體和砝碼位置對測量結果產生了影響，對此我做了以下探究.

二、文獻檢索及觀點

2003年李炳妍老師通過受力分析，認為物體或砝碼位置偏離托盤中心而產生的力矩會與底座內水平拉桿產生的力矩相互抵消(如圖)，物體或砝碼位置對測量結果沒有影響.

2015年彭思利等3位老師通過簡單實驗，并對托盤天平的托盤下方三角刀口仔細觀察后，認為盤中砝碼位置會對托盤天平測量結果產生細微影響，并解釋其原因為砝碼位置偏離時，托盤下方三角刀口不夠尖銳，受力不豎直而造成.

三、實驗探究

1.實驗方法：控制變量法

2.實驗步驟

(1)將天平置于水平桌面，游碼歸零，調節天平平衡.

(2)將物體(本實驗中用一個100g的砝碼代替)置于左盤中央，將100g砝碼依此置于右盤中央，觀察天平平衡狀態，左右盤砝碼互換，觀察天平平衡狀態，以確保兩砝碼的質量差不會對實驗產生干擾.再次調節平衡螺母或游碼，使天平平衡，以剔除天平不等臂對實驗產生的干擾.

(3)步驟2排除中干擾因素后，將物體(100g砝碼)置于左盤中央，另一個100g砝碼依此置于右盤中、左、右、前、后5個位置，觀察并記錄指針偏離中央刻度線的格數(指針偏右記錄為正值，偏左記錄為負值).

(4)將物體第二次置于左盤左側，第三次置于左盤右側，第四次置于左盤前側，第五次置于左盤后側，并于每次重復步驟2中右盤砝碼的動作，觀察并記錄指針偏離中央刻度線的格數.以上25個數值測完后，再次將物體和砝碼置于托盤中央觀察記錄，以排除實驗過程操作對天平平衡的干擾.

(5)更換不同質量的物體和砝碼，重復實驗步驟1-4.

(6)更換不同天平，重復實驗步驟1-4.

(7)分析數據，歸納結論.

3.實驗數據

4.補充實驗

作者在實驗過程中，發現托盤下方是十字托架較松動，放置托盤后托盤容易傾斜，物體(砝碼)與托盤之間存在一定的靜摩擦力，該因素是否會對實驗產生影響？對此作者加固了托盤下方的十字托架和托架結構，使托盤不會傾斜后，再次進行了實驗.數據如下：

5.實驗結論

(1)托盤天平物體和砝碼位置會對測量結果產生細微的影響.主要因素一是物體或砝碼未置于托盤中央時，物體或砝碼與托盤之間的摩擦力會對測量結果產生了影響；二是托盤下方三角刀口受力不豎直對測量結果產生了影響.

(2)物體位置偏離對測量結果的影響大于砝碼偏離對測量結果的影響.

(3)物體前后位置偏離對測量結果的影響大于物體左右偏離對測量結果的影響.

6.創新點

(1)本實驗用一個100g(50g)砝碼來代替物體，并不斷改變物體位置進行實驗，實驗更加全面.

(2)本實驗不僅實驗了物體和砝碼左右偏離對實驗的影響外，還對物體和砝碼前后偏離進行了實驗.

(3)本實驗排除了物體和砝碼質量不相等，和天平不完全等臂兩個因素對實驗的影響.

7.實驗思考

作者在實驗過程中，由于天平不完全等臂對測量結果影響較大，比如本次利用兩個100g砝碼實驗時，調節空盤天平平衡后，左右兩盤中央各放置100g砝碼后，其中一個天平指針偏右4格，左右兩盤砝碼互換后，指針仍然偏右4格，說明天平并不完全等臂，移動游碼測量發現，此差異約等于為0.4g.建議使用托盤天平測量化學物品時注意校驗天平等臂問題.