利用自制教具探究胡克定律

田雪晴

【摘要】胡克定律的探究實驗在高中物理實驗教學中占有非常重要的地位。本文分別利用傳統實驗裝置和改進實驗裝置對胡克定律進行探究，并對兩種實驗方案的實驗結果、實驗的優勢和不足進行比較分析，對胡克定律探究實驗的教學給出了幾點建議。

【關鍵詞】高中物理;胡克定律;傳統實驗;改進實驗裝置

胡克定律的探究實驗是學生在學完彈力這個概念以后，對彈簧彈力與彈簧伸長量（或壓縮量）之間的關系進行的探究。對彈簧彈力與彈簧伸長量之間的關系進行探究，不僅可以幫助學生更好地理解胡克定律，認識彈簧彈力的大小和方向，在實驗探究的過程中還可以培養學生的探究能力，提升學生的學科素養。下面利用傳統實驗裝置和改進實驗裝置分別對胡克定律進行探究，并對兩種實驗方案作出比較分析。

一、傳統裝置對胡克定律的探究

1.實驗過程

粵教版必修一第三章《相互作用》第三節《彈力》這一節“實驗與探究”欄目給出了胡克定律探究實驗的一般方法（如圖1所示），將刻度尺和彈簧豎直懸掛在支架上，測量彈簧的原長，然后在彈簧下端懸掛不同質量的鉤碼，彈簧產生形變，用刻度尺測出彈簧的伸長量，彈簧彈力的大小即為鉤碼所受重力的大小，將彈簧彈力和彈簧伸長量一一記錄在數據表格中，最后對實驗數據進行處理，就可得到彈簧伸長量和彈簧彈力之間的關系，實驗過程如下：

（1）組裝好實驗裝置（如圖2所示），測量彈簧此時的長度即為彈簧的原長=6.30cm;

（2）設計實驗數據記錄表格（如表1所示），取50g砝碼懸掛在彈簧的下端，彈簧發生形變，將彈簧的長度和鉤碼的質量記錄在表格中;

（3）改變鉤碼的質量，將彈簧的長度和鉤碼的質量記錄在表格中（如表1所示）;

（4）對實驗數據進行計算，并利用Excel軟件作出彈簧彈力和彈簧伸長量之間的關系圖，如圖3所示。

2.實驗結果和實驗過程分析

由圖像可知彈簧彈力和彈簧伸長量的圖像是一條過原點的直線，所以彈簧彈力和彈簧伸長量成正比，滿足表達式F=K·△x，其中K是彈簧的勁度系數，△x是彈簧的形變量。雖然實驗結果比較理想，實驗操作過程也不復雜，但是回顧整個實驗過程，不難發現在整個實驗過程中存在以下幾點不足：

（1）實驗誤差較大。主要是因為豎直懸掛的彈簧和刻度尺不夠穩定，讀數時容易晃動，其次是用刻度尺測量彈簧長度時還存在讀數的偶然誤差。

（2）實驗數據處理繁瑣。要得到彈簧彈力和彈簧形變量之間的關系，不僅需要將鉤碼的質量轉換成重力，還需要用利用彈簧長度和彈簧原長計算彈簧的伸長量，最后利用數學知識才能得到彈簧彈力和彈簧伸長量之間的關系。

二、自制教具對胡克定律的探究

通過對傳統實驗方案的分析，設計了如圖4所示的實驗裝置，該裝置主要由三個定滑輪、輕桿、細線、彈簧、鉤碼和特制坐標紙組成。細線的一端與彈簧相連，另一端懸掛鉤碼，實驗開始時，讓輕桿與坐標紙上表示鉤碼質量的橫軸重合。接著在細線的另一端懸掛鉤碼，鉤碼受到的重力大小和彈簧彈力的大小相等，彈簧發生形變會使輕桿下移，輕桿下移的距離就是此時彈簧的伸長量，用鉛筆描繪出輕桿和坐標紙上表示鉤碼質量的虛線的交點;然后，改變鉤碼的質量重復以上操作，描繪出不同質量下輕桿和坐標紙上虛線的交點;最后，取下坐標紙，用平滑的曲線將坐標紙上描繪的點連接起來，即可得到彈簧彈力和彈簧伸長量之間的關系圖線。實驗過程如下：

（1）按照圖4所示的實驗方案，組裝好實驗裝置。不掛鉤碼，讓彈簧自然伸長，調整好坐標紙的位置，使得輕桿和坐標紙上的橫軸重合。

（2）在細線的另一端懸掛50g鉤碼，彈簧發生形變，輕桿下移，記錄下輕桿和坐標紙上虛線的交點。

（3）逐漸增加鉤碼的質量（注意不要超出彈簧的勁度系數），依次標出輕桿和坐標紙上虛線的交點。

（4）取下坐標紙，用平滑的曲線將紙上的各點連接起來，得到如圖5所示的圖像。

（5）更換不同的彈簧，重復以上操作得到實驗結果如圖6所示。

結合數學知識對圖5進行分析，可以得到彈簧的彈力和彈簧的伸長量呈正比，可見改進裝置對胡克定律進行探究得到的實驗結果和傳統方案的探究結果一致，都滿足胡克定律的表達式F=K·△x。對圖6的實驗結果進行分析可知，改變不同彈簧得到的實驗結果都是過原點的直線，但是不同彈簧其直線的斜率不同，說明不同彈簧的勁度系數是不一樣的，彈簧的勁度系數由彈簧本身的特性決定，進而幫助學生更好地理解胡克定律。

三、兩種實驗方案的比較和分析

兩種實驗方案都能較好地完成胡克定律的探究實驗，而且各有優勢，傳統實驗方案的優勢在于得到的實驗數據比較詳細，學生在實驗的過程中可以進一步熟練實驗數據的記錄方法和實驗數據的處理方法，比如，實驗數據記錄表格的設計，利用數學知識得到彈簧彈力和彈簧伸長量的關系圖像，利用實驗數據得到彈簧勁度系數的大小等等。

改進裝置的優勢在于通過巧妙的設計，免去了中間數據處理的環節，直接得到彈簧彈力和彈簧伸長量的關系，大大簡化了實驗過程，也減小了實驗數據測量的誤差，用輕桿的下移來表示彈簧的形變也使得實驗現象更加明顯，更有利于分析彈力方向的特點。改進實驗裝置操作簡單，現象明顯，結果直觀。因此，方便學生對胡克定律做更深入的探究，以幫助學生更好地理解胡克定律。

綜上所述，兩個實驗方案都具有很強的實用性和可操作性，在實際教學時可以根據需要靈活選擇。比如，在進行演示實驗時可以考慮用改進實驗方案，現象明顯，結果直觀;在進行操作性實驗時可以選用傳統實驗方案，鍛煉學生的實驗操作能力、數據處理能力等。不過，兩個實驗方案都都還存在不足，比如，都只能探究彈簧彈力和彈簧伸長量之間的關系，不能探究彈簧彈力和彈簧壓縮量之間的關系，所以還應進一步改進。

參考文獻：

[1]吳登選.胡克定律演示實驗的改進[J].教學儀器與實驗，2009，25（7）：16.

[2]羅徽，代偉，馬蘭等.胡克定律探究實驗裝置的改進[J].物理實驗，2015，35（3）：18-20.

責任編輯? 楊? 杰