自制弹簧进行多个探究性实验

1、自制弹簧进行多个探究性实验作者：胡君亮文章來源：物理教学探讨 点击数：891更新时间：2008-5-61问题的提出岛屮物理教材屮有“探索弹力和弹簧伸长的关系”的探索性实验和“研究弹簧 振子的周期和小球的质量的关系”的研究课题。我们组织学牛对这两个实验进行探索与 研究，利用实验室中现有的器材进行实验，结果都不甚理想。在“探索弹力和弹簧伸长的关系”的实验中，我们将最大测量范围为4.9n的弹赞 秤的弹簧拆下來作为研究的对象，实验发现，人多数实验小组劲度系数的测量误差都在 8%左右，而且都有随着弹力增人，劲度系数减小的现象，实验结果与胡克定律相差太人, 不能令人信服。究其原因，主要是弹簧的劲度系数太大

2、，改变力的大小时弹黄发生的形 变量较小，使弹簧长度测量时产生较大的相对误差。如果用这样的弹簧进行“弹簧振子 的周期和小球的质量的关系研究”的实验，同样也是由于弹簧的劲度系数太大，使弹簧 振子的振动周期较短，实验中数振子的全振动次数时，很容易发生差错。这两个实验所需要的弹簧，一般的实验室都还没有配备，山场上也很难找到。如果 要自己制作一条合适的弹簧，需要细钢丝，请人加工或者口己绕制都仃一定的困难。在 实践屮，我们发现卷绕着的电炉丝就是一条弹簧，能否用它來完成这两个探索性实验呢?2弹簧的制作我们取一条“220v 500w”的电炉丝，发现挂上质量为50g的钩码时弹簧并没有伸 长。究其原因，是因为电炉

3、丝本身就有收缩形变。而挂质量大一些的钩码，弹簧拉得稍 长一些，撤去钩码后弹簧就不能恢复原长，这是由于电炉丝的材料并不是钢性材料，弹 性形变的范i韦i很小，显然不能直接用电炉丝来完成实验。要使电炉丝具有弹簧的弹性， 需耍对电炉丝进行热处理。为了消除电炉丝原先的收缩形变，增强电炉丝的弹性，为此我们专门请教了五金加工的师傅，了解了用“退火”和“淬火”的方法可以解决“收缩形变”和“增强钢性” 的问题。具体的操作步骤是：(1) 将电炉丝两端弯成两个圆圈，实验时一个圆圈用于将电炉丝悬挂在铁架台的横 杆上，另一个圆圈用来悬挂钩码。(2) 在小木棒上钉2枚铁钉，2枚铁钉间的距离比电炉丝长度大3crn, 2枚铁

4、钉分别 连接2条导线，接上插头。(3) 将电炉丝拉长套在铁钉上，使各圈电炉丝都不彼此接触。(4) 接通220v电源，进行“退火”处理，当电炉丝发红时切断电源，然后马上将电 炉丝浸人冷水中，进行“淬火”处理。经过这样“退火”、“淬火”处理后，电炉丝就 成了 一条弹性理想的细弹簧了。3探究弹力和弹簧伸长的关系用口己制作的弹簧进行“探究弹力和弹黄仲长的关系”的实验时，为了拓宽学生的 思路，在器材的选川上要尽量利川生活屮的一些物站，避免一提到质量相等就想到钩码, 一说到弹力就想到弹簧秤。我们发现，学生采用同一型号的玻璃球或小钢珠进行实验， 是一个比较合理的实验设计。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图1弹力(玻璃球的个剜9弹竇仲长的关系在毫米刻度的米尺上钉一枚铁钉，将弹簧悬挂在铁钉上，弹赞下端挂一只质量可以 忽略的塑料袋，测出弹簧的原长l。在塑料袋中装人玻璃球，记录塑料袋中玻璃球的数 b,测出塑料袋静止时弹簧的实际长度l,改变玻璃球的数目进行多次实验，研究弹力 和弹簧伸长长度间的关系。我们选择了一个小组的研究成果，将实验数据记录在表1 'l>o 数据处理如图1所示。» i禅力豹鼻粉长的羌黑(w«jk«

6、; lo = 31.00®一个瑚剧*的力为 呼j2345?$4s1216242812鮮瞬mm36.21)41®46.0乩005120血104s.3q73.60側10.4015-6021.00如2031筋并加3艮1戌系飯,诚5170-wq矽0-w01. %20.757 ?530-751实验分析发现，实验相对误差大约1. 3%,误差小的主要原因是弹赞形变量可达40cm 多，长度侧量时的相对谋建较减小。v/ y .y. 拆；花;亦;w1=3=«图2弹賛撮子的质童和罔期的关爲4探索弹簧振子的周期和质量关系用自制弹簧进行“弹簧振子的周期和质量关系”课题研究。实验时将弹簧竖直

7、悬挂 起来，弹簧下端悬挂一只质量可以忽略的塑料袋，在蜩料袋中装人玻璃球，记录塑料袋 中玻璃球的数目，让塑料袋和玻璃球上下振动，测出多次全振动的时间t,计算振动的 周期t,改变玻瑞球的数目进行多次实验。实验数据记录如表2所示，弹簧振子的质量 和周期的关系图如图2所示。« 2 "子第期的关审研火= 50 次）1234567玻祕个敗8t2162024温j2按如e/<1.33.57o,7|46.42s2.1956. s36j.m63j55b.617408闵b畑loi381.13661.226r1,3130t/vg；0 2i83q.圖0.23210.»340.232q

8、0.23180 2321实验结果分析发现，实验的相对误差大约只有0.2%。原因在于用这样的弹簧进 行振动的研究时，有效避免了一般的弹赞振动时产生的扭动现象，而且全振动次数多达 50次也未见振幅明显减小，这样周期测量的精确度就大大提高了。5研究复合振动的特殊现象在“弹赞振子的周期和质量关系”实验中，有些学生发现，当塑料袋中装入特 定个数的玻璃球时，塑料袋和玻璃球的上下振动和左右摆动交替转化的现彖，使周期的 测量比较困难。针对这种意料z外的特殊现象，引导学生进行深入研究。当塑料袋屮装 入特定个数的玻璃球时，测定弹簧悬挂点到玻璃球重心的距离，以此为摆长制作一-个单 摆，测量单摆的周期。再从弹簧振子的

9、质量和周期的关系实验图线中查找特定个数玻璃 球时的周期，发现这两个周期相当接近。也就是说由玻璃球质量和弹费的劲度系数决定 的振动频率刚好跟山弹簧和塑料袋长度决定的摆动频率相等，发生了一种特殊的共振现 象。6探究弹簧的弹性势能弹簧发生形变时具有弹性势能，形变量越大弹性势能也越大，弹性势能与形变量之 间有什么定量关系呢?能量的变化量可以用功來表示，但由于橡皮筋的弹力随形变量的 变化向变化，高中阶段学半无法计算变力做的功，所以必须将变力做功转化为恒力做功。 用口制的弹簧可以进行探究。在竖盲墙推上钉一枚铁钉，弹簧一端悬挂在铁钉上，另一端系一条细线，细线另一端 悬挂一个重物。确定弹簧自然长度时下端的位置

10、。将重物向下拉到某位置，测量弹簧的 伸长量x,记卜小钢球的初位置。放手后观察重物向上运动的情况，记卜-重物上升的最 高点，测量重物上升的离度h。获得一组x、h数据。将重物拉到不同位置放手，可以获 得弹簧各种伸长量x时重物上升的高度h,这样获得多组x、h数据。重物上升的高度，对应重物克服重力做的功，由于是无初速度释放重物，而重物上 升到最高点时速度也为零，所以弹力做的功等于重物克服重力做的功。橡皮筋形变量为x时的弹性势能等-t mgh,分析x与hz间的关系，也就可以分析橡皮筋的弹性势能与 形变x之间的关系。分析实验测得的与数据，试图获得的x与h之间的定量关系，最好 用图象法进行处理。用电阻丝制作“弹簧”，使学生获得了亲身体验，特别是“退火”、“淬火”过程 对改变弹簧的弹性所起的作用，有的同学为此还专门向五金师傅和技术专家请教“退 火”、“淬火”在金属加工屮的作用。通过