胡克定律演示裝置改進及其教學分析

(江西師范大學物理與通信電子學院,江西　南昌　330022)

1　問題的提出

胡克定律是力學中的一條基本定律,國內現有教科書關于“胡克定律”的教學均是通過演示實驗，首先測量彈簧彈力F與所對應的彈簧伸長量x,然后繪制F-x圖像，進而歸納總結出兩者間的正比例關系。如圖1所示,在人教版高中物理必修1教材中,將彈簧固定在左側一端,彈簧下面墊有坐標紙,當彈簧處于原長時,讓彈簧右端恰好與坐標紙起點對齊,用向右的力F拉彈簧,并記錄彈簧彈力F1和F2與所對應的彈簧伸長量x1和x2,根據測量數據繪制F-x圖。

圖1

此演示裝置將彈簧的固定方向由舊版教材中的豎直方向改為水平方向,克服了因彈簧本身重力帶來的誤差，但仍有不夠完善的方面：(1) 彈簧彈力F及彈簧伸長量x均為粗略測量,只能得出一個近似的正比例關系,且未充分調動學生的探究興趣，采用了結論導向型的教學方式;(2) 實驗中沒有理清彈簧彈力F、彈簧長度l、彈簧伸長量x三者間的關系,部分學生會誤認為彈力F與彈簧長度l成正比;(3) 裝置沒有對彈簧勁度系數k進行比較分析,學生對此概念缺乏直觀、正確的理解。

2　幾種常見的“胡克定律”演示裝置

(1) 豎直懸掛彈簧,改變鉤碼數量

如圖2所示,隨著鉤碼的逐個添加,彈簧伸長量x不斷增大。實驗貼近生活,現象直觀明了,易于學生理解。然而彈簧伸長量x沒有用刻度尺準確測量,未探究定律中的正比例關系,實驗不夠嚴謹。

圖2

(2) 豎直懸掛彈簧,改變鉤碼數量,刻度尺測量彈簧伸長量

實驗裝置如圖3所示,與圖2相比,添加了刻度尺來記錄彈簧伸長量x,便于繪制出F-x圖像。

圖3

(3) 彈簧末端添加指針,方便快速讀數

如圖4所示,在彈簧末端添加指針,便于學生快速讀取并記錄彈簧伸長量x。

圖4

上述三種裝置均為豎直懸掛,操作比較繁瑣,在添加鉤碼時應緩慢逐個添加,以防止彈簧上下晃蕩產生誤差。

3　演示裝置改進

為了克服胡克定律演示實驗裝置存在的不足,改進的演示裝置采用水平懸掛法。如圖5所示,彈簧左端固定,右端添加一指針,鉤碼放在鉤碼盤內,并通過定滑輪給彈簧施加一個向右的力F,刻度尺則由主尺(下)與副尺(上)組合而成,兩者間可自由滑動,也可通過卡鎖固定。

圖5

演示實驗操作流程如下:

(1) 調整儀器。當鉤碼盤空載時,調整刻度尺的位置,使主尺零刻度對齊彈簧左端,滑動副尺,使其零刻度對齊彈簧右端,按下卡鎖使主副尺兩者間固定。

(2) 實驗測量。緩慢添加鉤碼個數,每添加一個,同時記錄主、副刻度尺示數l、x,重復7次。

(3) 比較測量。換用粗細不同的彈簧重復步驟，記錄在測量表中。

(4) 繪圖分析。利用Excel軟件,根據記錄數據,分別繪制F-x和F-l圖像。

4　教學分析

改進后的演示裝置具有如下優點:

(1) 彈簧水平懸掛,操作步驟簡單,誤差較小;

(2) 添加了指針,實驗數據顯示直觀,便于記錄;

(3) 理清了彈簧彈力F、彈簧長度l、彈簧伸長量x三者間的數量關系,便于學生正確理解胡克定律。根據F-x圖過原點、F-l圖不過原點,可得出彈力F是與彈簧伸長量x成正比,而與彈簧長度l則不成正比;

(4) 用粗細不同的彈簧所得F-x圖的斜率不同,從而可知是彈簧的勁度系數k不同,便于學生建立“勁度系數”這一概念。