自制彈簧進行多個探究性實驗

1、自制彈簧進行多個探究性實驗作者：胡君亮文章來源：物理教學探討 點擊數(shù)：891更新時間：2008-5-61問題的提出島屮物理教材屮有“探索彈力和彈簧伸長的關系”的探索性實驗和“研究彈簧 振子的周期和小球的質(zhì)量的關系”的研究課題。我們組織學牛對這兩個實驗進行探索與 研究，利用實驗室中現(xiàn)有的器材進行實驗，結(jié)果都不甚理想。在“探索彈力和彈簧伸長的關系”的實驗中，我們將最大測量范圍為4.9n的彈贊 秤的彈簧拆下來作為研究的對象，實驗發(fā)現(xiàn)，人多數(shù)實驗小組勁度系數(shù)的測量誤差都在 8%左右，而且都有隨著彈力增人，勁度系數(shù)減小的現(xiàn)象，實驗結(jié)果與胡克定律相差太人, 不能令人信服。究其原因，主要是彈簧的勁度系數(shù)太大

2、，改變力的大小時彈黃發(fā)生的形 變量較小，使彈簧長度測量時產(chǎn)生較大的相對誤差。如果用這樣的彈簧進行“彈簧振子 的周期和小球的質(zhì)量的關系研究”的實驗，同樣也是由于彈簧的勁度系數(shù)太大，使彈簧 振子的振動周期較短，實驗中數(shù)振子的全振動次數(shù)時，很容易發(fā)生差錯。這兩個實驗所需要的彈簧，一般的實驗室都還沒有配備，山場上也很難找到。如果 要自己制作一條合適的彈簧，需要細鋼絲，請人加工或者口己繞制都仃一定的困難。在 實踐屮，我們發(fā)現(xiàn)卷繞著的電爐絲就是一條彈簧，能否用它來完成這兩個探索性實驗呢?2彈簧的制作我們?nèi)∫粭l“220v 500w”的電爐絲，發(fā)現(xiàn)掛上質(zhì)量為50g的鉤碼時彈簧并沒有伸 長。究其原因，是因為電爐

3、絲本身就有收縮形變。而掛質(zhì)量大一些的鉤碼，彈簧拉得稍 長一些，撤去鉤碼后彈簧就不能恢復原長，這是由于電爐絲的材料并不是鋼性材料，彈 性形變的范i韋i很小，顯然不能直接用電爐絲來完成實驗。要使電爐絲具有彈簧的彈性， 需耍對電爐絲進行熱處理。為了消除電爐絲原先的收縮形變，增強電爐絲的彈性，為此我們專門請教了五金加工的師傅，了解了用“退火”和“淬火”的方法可以解決“收縮形變”和“增強鋼性” 的問題。具體的操作步驟是：(1) 將電爐絲兩端彎成兩個圓圈，實驗時一個圓圈用于將電爐絲懸掛在鐵架臺的橫 桿上，另一個圓圈用來懸掛鉤碼。(2) 在小木棒上釘2枚鐵釘，2枚鐵釘間的距離比電爐絲長度大3crn, 2枚鐵

4、釘分別 連接2條導線，接上插頭。(3) 將電爐絲拉長套在鐵釘上，使各圈電爐絲都不彼此接觸。(4) 接通220v電源，進行“退火”處理，當電爐絲發(fā)紅時切斷電源，然后馬上將電 爐絲浸人冷水中，進行“淬火”處理。經(jīng)過這樣“退火”、“淬火”處理后，電爐絲就 成了 一條彈性理想的細彈簧了。3探究彈力和彈簧伸長的關系用口己制作的彈簧進行“探究彈力和彈黃仲長的關系”的實驗時，為了拓寬學生的 思路，在器材的選川上要盡量利川生活屮的一些物站，避免一提到質(zhì)量相等就想到鉤碼, 一說到彈力就想到彈簧秤。我們發(fā)現(xiàn)，學生采用同一型號的玻璃球或小鋼珠進行實驗， 是一個比較合理的實驗設計。jo204; a 八#1:-!胡 二

5、二:£:.刃-x.x-x-xa- -x -x.x.x.x- 二 uyy:亠 i* -x.t.5xa 2m20w<v"jan圖1彈力(玻璃球的個剜9彈竇仲長的關系在毫米刻度的米尺上釘一枚鐵釘，將彈簧懸掛在鐵釘上，彈贊下端掛一只質(zhì)量可以 忽略的塑料袋，測出彈簧的原長l。在塑料袋中裝人玻璃球，記錄塑料袋中玻璃球的數(shù) b,測出塑料袋靜止時彈簧的實際長度l,改變玻璃球的數(shù)目進行多次實驗，研究彈力 和彈簧伸長長度間的關系。我們選擇了一個小組的研究成果，將實驗數(shù)據(jù)記錄在表1 'l>o 數(shù)據(jù)處理如圖1所示。» i禪力豹鼻粉長的羌黑(w«jk«

6、; lo = 31.00®一個瑚劇*的力為 呼j2345?$4s1216242812鮮瞬mm36.21)41®46.0乩005120血104s.3q73.60側(cè)10.4015-6021.00如2031筋并加3艮1戌系飯,誠5170-wq矽0-w01. %20.757 ?530-751實驗分析發(fā)現(xiàn)，實驗相對誤差大約1. 3%,誤差小的主要原因是彈贊形變量可達40cm 多，長度側(cè)量時的相對謀建較減小。v/ y .y. 拆；花;亦;w1=3=«圖2彈賛撮子的質(zhì)童和罔期的關爲4探索彈簧振子的周期和質(zhì)量關系用自制彈簧進行“彈簧振子的周期和質(zhì)量關系”課題研究。實驗時將彈簧豎直

7、懸掛 起來，彈簧下端懸掛一只質(zhì)量可以忽略的塑料袋，在蜩料袋中裝人玻璃球，記錄塑料袋 中玻璃球的數(shù)目，讓塑料袋和玻璃球上下振動，測出多次全振動的時間t,計算振動的 周期t,改變玻瑞球的數(shù)目進行多次實驗。實驗數(shù)據(jù)記錄如表2所示，彈簧振子的質(zhì)量 和周期的關系圖如圖2所示。« 2 "子第期的關審研火= 50 次）1234567玻祕個敗8t2162024溫j2按如e/<1.33.57o,7|46.42s2.1956. s36j.m63j55b.617408閔b畑loi381.13661.226r1,3130t/vg；0 2i83q.圖0.23210.»340.232q

8、0.23180 2321實驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，實驗的相對誤差大約只有0.2%。原因在于用這樣的彈簧進 行振動的研究時，有效避免了一般的彈贊振動時產(chǎn)生的扭動現(xiàn)象，而且全振動次數(shù)多達 50次也未見振幅明顯減小，這樣周期測量的精確度就大大提高了。5研究復合振動的特殊現(xiàn)象在“彈贊振子的周期和質(zhì)量關系”實驗中，有些學生發(fā)現(xiàn)，當塑料袋中裝入特 定個數(shù)的玻璃球時，塑料袋和玻璃球的上下振動和左右擺動交替轉(zhuǎn)化的現(xiàn)彖，使周期的 測量比較困難。針對這種意料z外的特殊現(xiàn)象，引導學生進行深入研究。當塑料袋屮裝 入特定個數(shù)的玻璃球時，測定彈簧懸掛點到玻璃球重心的距離，以此為擺長制作一-個單 擺，測量單擺的周期。再從彈簧振子的

9、質(zhì)量和周期的關系實驗圖線中查找特定個數(shù)玻璃 球時的周期，發(fā)現(xiàn)這兩個周期相當接近。也就是說由玻璃球質(zhì)量和彈費的勁度系數(shù)決定 的振動頻率剛好跟山彈簧和塑料袋長度決定的擺動頻率相等，發(fā)生了一種特殊的共振現(xiàn) 象。6探究彈簧的彈性勢能彈簧發(fā)生形變時具有彈性勢能，形變量越大彈性勢能也越大，彈性勢能與形變量之 間有什么定量關系呢?能量的變化量可以用功來表示，但由于橡皮筋的彈力隨形變量的 變化向變化，高中階段學半無法計算變力做的功，所以必須將變力做功轉(zhuǎn)化為恒力做功。 用口制的彈簧可以進行探究。在豎盲墻推上釘一枚鐵釘，彈簧一端懸掛在鐵釘上，另一端系一條細線，細線另一端 懸掛一個重物。確定彈簧自然長度時下端的位置

10、。將重物向下拉到某位置，測量彈簧的 伸長量x,記卜小鋼球的初位置。放手后觀察重物向上運動的情況，記卜-重物上升的最 高點，測量重物上升的離度h。獲得一組x、h數(shù)據(jù)。將重物拉到不同位置放手，可以獲 得彈簧各種伸長量x時重物上升的高度h,這樣獲得多組x、h數(shù)據(jù)。重物上升的高度，對應重物克服重力做的功，由于是無初速度釋放重物，而重物上 升到最高點時速度也為零，所以彈力做的功等于重物克服重力做的功。橡皮筋形變量為x時的彈性勢能等-t mgh,分析x與hz間的關系，也就可以分析橡皮筋的彈性勢能與 形變x之間的關系。分析實驗測得的與數(shù)據(jù)，試圖獲得的x與h之間的定量關系，最好 用圖象法進行處理。用電阻絲制作“彈簧”，使學生獲得了親身體驗，特別是“退火”、“淬火”過程 對改變彈簧的彈性所起的作用，有的同學為此還專門向五金師傅和技術專家請教“退 火”、“淬火”在金屬加工屮的作用。通過