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，江蘇 揚州 225600)

1 引言

傳統實驗只能測定彈簧拉伸時的胡克定律(圖1)，[1]不能得到彈簧壓縮時的胡克定律，筆者曾用電子秤進行研究彈簧在拉伸和壓縮情況下的胡克定律，實驗效果比較好。[2]進一步的研究發現：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系，可較精確地測出彈簧的勁度系數,探究串并聯彈簧勁度系數的特點。

圖1

2 儀器簡介及實驗過程

2.1 儀器簡介

實驗器材：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板之間，使彈簧處于原長，并使力傳感器讀數歸零，通過搖動手輪將彈簧壓縮或拉長，從而改變彈簧的形變量，其值通過左邊的刻度尺讀出，為了數據處理方便，可以每改變0.5cm測一次，每改變一次彈簧的形變量記錄一次力傳感器的讀數，再通過Excel描點作圖，擬合直線的斜率即為彈簧的勁度系數。

圖2

2.2 探究胡克定律和測定彈簧的勁度系數

選用一根原長為10cm的彈簧進行實驗，通過搖動手輪可以將彈簧先壓縮再拉長，得到11組數據(表1)，利用Excel描點作圖(圖3)，擬合直線，得到的斜率即為彈簧的勁度系數。

表1

圖3

從圖3可以看出，彈簧不管是壓縮還是伸長，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，圖線的斜率即為彈簧的勁度系數，k1=183.24N/m。

2.3 探究并聯彈簧的勁度系數的特點

將兩根原長為10cm的彈簧并聯，重復上述操作過程，得到表2和圖4。從圖4可以看出：彈簧并聯時彈力與形變量也成線性關系，即胡克定律仍成立，此時勁度系數k2=367.51N/m，k2=2k1，說明彈簧并聯時勁度系數變大。

表2

圖4

2.4 探究串聯彈簧的勁度系數的特點

取一根原長為5cm的彈簧，重復上述操作過程，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的彈簧串聯而成，則當彈簧串聯時勁度系數變小。

表3

圖5

2.5 小結

由三個探究實驗可以看出：不管彈簧是壓縮還是伸長，彈簧的彈力均與形變量成正比，F-x圖像的斜率即為彈簧的勁度系數；并聯后的彈簧的勁度系數變大；串聯后的彈簧勁度系數變小。通過這三個實驗可以使學生對胡克定律有更深的理解，該實驗相比傳統的實驗具有明顯的優點：(1)自制教具并結合傳感器技術，實驗精度高；(2)研究了彈簧不管是伸長還是壓縮時彈簧的彈力與形變量的定量關系；(3)研究了相同彈簧并聯和串聯后勁度系數的變化情況；(4)實驗操作簡單，數據處理方便，實驗效果明顯。此教具在2019年江蘇省“高中物理實驗創新評比”中受到廣大評委和同行的一致好評，榮獲二等獎。

3 結語

利用傳感器改良的實驗具有采集數據快、精確度高、數據處理方便等優點，在教學過程中物理老師可以利用傳感器改良更多的實驗，更好地呈現物理規律，讓學生自己動手設計實驗、多做實驗，激發學生學習物理的興趣，切實提高課堂效率和教學效果。