實驗探究“探究彈性勢能的表達(dá)式”

卞望來

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科。高中物理教學(xué)就是要體現(xiàn)科學(xué)探究，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。以“探究彈性勢能的表達(dá)式”的一節(jié)教學(xué)為例，除了從理論和圖象法來推導(dǎo)以外，筆者還運用實驗方法加以探究，由此來得到彈性勢能的表達(dá)式，使得學(xué)生對物理的結(jié)果更令人信服，以此培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究方法。

筆者就實驗探究“探究彈性勢能的表達(dá)式”，現(xiàn)作如下介紹。

一、實驗器材介紹

選用由碳鋼材料制成的彈簧，直徑1.4cm，共46匝，上端固定在豎直放置的木板左側(cè)（在木板的右側(cè)標(biāo)注刻度），下端與一狹長（長約7cm）薄鋁片相連，鋁片作指針用，其重力可忽略不計。彈簧下端不掛重物時，指針?biāo)缚潭葹?刻度，最小刻度值為1cm，刻度范圍為0-50cm。在其前表面懸空固定兩根銅絲，銅絲上吊有3cm×3cm×1.5cm 的紅色塑料塊（薄鋁片在其上面），起記錄位置的作用。另有質(zhì)量均為50g鉤碼若干。

二、實驗原理

實驗裝置豎直放置時，彈簧處于原長狀態(tài)，指針?biāo)缚潭戎禐?。在彈簧下面放上鉤碼，讓其從靜止開始下落，鉤碼先加速，后減速，運動到最低點時速度為0。在此過程中，鉤碼所受合外力做功為0，WG+WN=0，其中WN為彈簧彈力對鉤碼所做的負(fù)功，且是變力做功，不易求得。而重力是恒力，只要測出鉤碼向下運動的距離，即記下其運動到最低點的位置，就容易求出重力所做功。這樣就可求出鉤碼克服彈力所做功大小，這也就是彈簧的彈性勢能大小。為記下鉤碼向下運動的最低位置，用塑料塊做標(biāo)記。當(dāng)鉤碼向下運動時，就帶動指針一起向下運動，指針碰到右下方的塑料塊時，又帶動塑料塊向下運動。為使記錄的位置精確，可讓鉤碼重復(fù)上述運動多次，直到指針不再與塑料塊相碰為止，則塑料塊上表面所指示的刻度值即為鉤碼向下運動的距離，也是彈簧的伸長量。

三、實驗過程

通過猜測，我們了解到彈簧的彈性勢能與彈簧的形變量、勁度系數(shù)有關(guān)，因而采用控制變量法。首先保持彈簧的勁度系數(shù)不變，在彈簧下端分別掛上一個鉤碼、二個鉤碼、三個鉤碼，分別測出它們運動的最低位置及平衡位置（下面要用到），求出三種情況下鉤碼重力做功，這樣就得到彈簧在不同伸長量下的彈性勢能，比較彈性勢能與伸長量的關(guān)系。其次，保持彈簧的形變量不變，改變彈簧的勁度系數(shù)。用中央有狹縫的金屬片卡在彈簧中點，金屬片固定在木板上，使下面的彈簧匝數(shù)為23匝，由此可推導(dǎo)彈簧的勁度系數(shù)為原來的2倍，掛上二個鉤碼，測出向下移動的距離，與原來彈簧下掛一個鉤碼時移動的距離相比較，彈簧的形變量是否相同。分析彈性勢能與勁度系數(shù)的關(guān)系。

四、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理

1.保持彈簧勁度系數(shù)不變時，其中m0=50g=5×10-2kg

從上面數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)三次彈簧的伸長量之比l1：l2：l3≈1：2：3，而彈性勢能之比Ep1：Ep2：Ep3≈1：4：9，所以Ep∝l2。

2.保持彈簧伸長量不變，使，m2= 2m1=2m0

在實驗中會得到彈性勢能之比，所以綜上所述，Ep∝l2，則Ep=k'kl2（1），k'為比例系數(shù)，那么k'到底多大呢？

從表一數(shù)據(jù)中，我們還不難發(fā)現(xiàn)：彈簧下端掛上鉤碼，鉤碼處于平衡狀態(tài)時，彈簧伸長量大致是鉤碼運動到最低點時彈簧伸長量的一半。

所以，鉤碼處于平衡狀態(tài)時，mg=k （2）

而Ep=WG=mgl （3）

由（1）（2）（3）式得：

得：

所以：

總之，我們老師在教學(xué)中要有新的教學(xué)理念，新的教學(xué)方式，發(fā)揮探究性教學(xué)作用，充分挖掘物理實驗的魅力，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。這樣使學(xué)生既掌握了物理知識，又體會到了一般科學(xué)探究的方法、過程，最終讓學(xué)生能享受學(xué)習(xí)。在這樣的教學(xué)過程中，也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)精神，使學(xué)生養(yǎng)成實證意識和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，勇于探究，敢于質(zhì)疑，尊重事實，崇尚真知。

（作者單位：江蘇省南菁高級中學(xué)）