利用傳感器改良胡克定律演示儀①

于 淼 金 冬

(江蘇省高郵第一中學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225600)

1 引言

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能測(cè)定彈簧拉伸時(shí)的胡克定律(圖1)，[1]不能得到彈簧壓縮時(shí)的胡克定律，筆者曾用電子秤進(jìn)行研究彈簧在拉伸和壓縮情況下的胡克定律，實(shí)驗(yàn)效果比較好。[2]進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)：基于傳感器改良的胡克定律演示儀能更加方便地探究彈簧在拉伸和壓縮情況下的彈力與形變量的關(guān)系，可較精確地測(cè)出彈簧的勁度系數(shù),探究串并聯(lián)彈簧勁度系數(shù)的特點(diǎn)。

圖1

2 儀器簡(jiǎn)介及實(shí)驗(yàn)過程

2.1 儀器簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)器材：傳感器式胡克定律演示儀、三組彈簧等。

如圖2所示，將彈簧通過卡扣固定在固定板和移動(dòng)板之間，使彈簧處于原長(zhǎng)，并使力傳感器讀數(shù)歸零，通過搖動(dòng)手輪將彈簧壓縮或拉長(zhǎng)，從而改變彈簧的形變量，其值通過左邊的刻度尺讀出，為了數(shù)據(jù)處理方便，可以每改變0.5cm測(cè)一次，每改變一次彈簧的形變量記錄一次力傳感器的讀數(shù)，再通過Excel描點(diǎn)作圖，擬合直線的斜率即為彈簧的勁度系數(shù)。

圖2

2.2 探究胡克定律和測(cè)定彈簧的勁度系數(shù)

選用一根原長(zhǎng)為10cm的彈簧進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過搖動(dòng)手輪可以將彈簧先壓縮再拉長(zhǎng)，得到11組數(shù)據(jù)(表1)，利用Excel描點(diǎn)作圖(圖3)，擬合直線，得到的斜率即為彈簧的勁度系數(shù)。

表1

圖3

從圖3可以看出，彈簧不管是壓縮還是伸長(zhǎng)，彈力大小都與形變量成正比，即F=kΔx，也就是胡克定律，其中k是彈簧的勁度系數(shù)，圖線的斜率即為彈簧的勁度系數(shù)，k1=183.24N/m。

2.3 探究并聯(lián)彈簧的勁度系數(shù)的特點(diǎn)

將兩根原長(zhǎng)為10cm的彈簧并聯(lián)，重復(fù)上述操作過程，得到表2和圖4。從圖4可以看出：彈簧并聯(lián)時(shí)彈力與形變量也成線性關(guān)系，即胡克定律仍成立，此時(shí)勁度系數(shù)k2=367.51N/m，k2=2k1，說明彈簧并聯(lián)時(shí)勁度系數(shù)變大。

表2

圖4

2.4 探究串聯(lián)彈簧的勁度系數(shù)的特點(diǎn)

取一根原長(zhǎng)為5cm的彈簧，重復(fù)上述操作過程，得到表3和圖5。從圖5可以得到此彈簧的勁度系數(shù)k3=363.67N/m，k3=2k1，圖3中10cm的彈簧可以看成由兩根5cm的彈簧串聯(lián)而成，則當(dāng)彈簧串聯(lián)時(shí)勁度系數(shù)變小。

表3

圖5

2.5 小結(jié)

由三個(gè)探究實(shí)驗(yàn)可以看出：不管彈簧是壓縮還是伸長(zhǎng)，彈簧的彈力均與形變量成正比，F(xiàn)-x圖像的斜率即為彈簧的勁度系數(shù)；并聯(lián)后的彈簧的勁度系數(shù)變大；串聯(lián)后的彈簧勁度系數(shù)變小。通過這三個(gè)實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生對(duì)胡克定律有更深的理解，該實(shí)驗(yàn)相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：(1)自制教具并結(jié)合傳感器技術(shù)，實(shí)驗(yàn)精度高；(2)研究了彈簧不管是伸長(zhǎng)還是壓縮時(shí)彈簧的彈力與形變量的定量關(guān)系；(3)研究了相同彈簧并聯(lián)和串聯(lián)后勁度系數(shù)的變化情況；(4)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理方便，實(shí)驗(yàn)效果明顯。此教具在2019年江蘇省“高中物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新評(píng)比”中受到廣大評(píng)委和同行的一致好評(píng)，榮獲二等獎(jiǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

利用傳感器改良的實(shí)驗(yàn)具有采集數(shù)據(jù)快、精確度高、數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點(diǎn)，在教學(xué)過程中物理老師可以利用傳感器改良更多的實(shí)驗(yàn)，更好地呈現(xiàn)物理規(guī)律，讓學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、多做實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，切實(shí)提高課堂效率和教學(xué)效果。