一種胡克定律教學(xué)演示裝置的改進設(shè)計構(gòu)想

徐彬皓 成冬梅

摘? ?要：在學(xué)習(xí)胡克定律時，基本是靠老師的語言闡述和簡單的圖文解說進行教學(xué)。對此，本文設(shè)計了一種胡克定律教學(xué)演示裝置，其主要由數(shù)顯彈簧秤、刻度尺、滑輪等組成。該演示裝置可直觀地演示彈性形變、彈性極限形變，并有效驗證彈性力、彈性形變量及彈性系數(shù)之間的關(guān)系，幫助學(xué)生理解和應(yīng)用胡克定律。

關(guān)鍵詞：胡克定律;教學(xué);演示裝置

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）4-0065-2

1? ? 問題的提出

胡克定律是力學(xué)的一條基本定律，是中學(xué)物理力學(xué)中的重要內(nèi)容。但學(xué)生學(xué)習(xí)胡克定律時，基本都是靠老師的口頭闡述或簡單的圖文解說進行學(xué)習(xí)，由于缺乏較好的教學(xué)實驗裝置，不能直觀地進行學(xué)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生對彈性系數(shù)、彈性形變量和彈性極限形變的理解缺乏直觀感受。

2? ? 常見的“胡克定律”演示裝置

2.1? ? 豎直懸掛彈簧，改變鉤碼數(shù)量

演示裝置如圖1所示，其主要由彈簧及鉤碼組成，隨著鉤碼的增加，彈簧的伸長量x逐漸增大。該演示裝置簡單，彈簧變化直觀明了，易于學(xué)生理解和學(xué)習(xí)，但該演示裝置沒有測量彈簧伸長量x，未探究胡克定律中的正比例關(guān)系，實驗不夠嚴(yán)謹(jǐn)[1]。

2.2? ? 豎直懸掛彈簧，改變鉤碼數(shù)量，刻度尺測量彈簧伸長量

如圖2所示，該裝置在圖1裝置的基礎(chǔ)上在豎直方向增加了刻度尺，可準(zhǔn)確測量出彈簧的伸長量x，但該裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、操作不方便，容易造成誤差[2]。

為了更好地讓學(xué)生學(xué)習(xí)胡克定律，筆者設(shè)計了一種在水平方向進行演示的裝置，這種裝置操作起來很簡單，只要輕輕轉(zhuǎn)動手柄就可以控制彈性繩的伸長量，還可以隨時觀察到彈性力的大小，彈性繩的變化過程也很直觀、明顯;同時，還可測量不同彈性繩的彈性系數(shù)，這樣可以幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用胡克定律。

3? ? 演示裝置原理

由胡克定律可知，在彈性極限內(nèi)，彈性力F的大小與彈性形變量x成正比關(guān)系，即F=kx，隨著彈性力F的增大，形變量x也會隨著增加，當(dāng)F超過彈性極限時，彈性繩就會斷裂。

4? ? 演示裝置的改進

該演示裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

彈性繩分別系于固定塊1和滑塊2上的雙頭螺柱一端，雙頭螺柱通過螺紋固定在固定塊1和滑塊2上。剛性繩1一端與滑塊2連接，另一端與數(shù)顯電子秤連接。剛性繩2一端與數(shù)顯電子秤連接，另一端通過滑輪1繞在滑輪2上，滑輪1與滑輪2固定在背板上，但可轉(zhuǎn)動。當(dāng)滑輪2轉(zhuǎn)動時滑塊2和數(shù)顯電子秤會隨著剛性繩的縮放而沿著基座上的滑軌平移。

實驗步驟及操作：

第一步：將彈性繩兩端分別系于固定塊1和滑塊2的雙頭螺柱上。剛性繩1一端與滑塊2連接，另一端與數(shù)顯電子秤連接。剛性繩2一端與數(shù)顯電子秤連接，另一端通過滑輪1繞在滑輪2上。

第二步：調(diào)節(jié)固定塊1和滑塊2的位置，使彈性繩處于自然伸張狀態(tài)，并移動刻度尺使滑塊2的前端面處于0刻度線處。

第三步：慢慢轉(zhuǎn)動滑輪2的調(diào)節(jié)手柄，便可觀察到彈性繩慢慢伸長，同時記錄彈性繩伸長量x和彈性力F。伸長量x可由基座上的刻度尺記錄，彈性力F可通過數(shù)顯電子秤讀取，當(dāng)彈性力F超過彈性極限時，彈性繩便會斷裂。

第四步：根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，以彈性力F為Y軸，以伸長量x為X軸，用直尺根據(jù)各點作出擬合直線F-x，該直線的斜率就是彈性系數(shù)k。

5? ? 總? 結(jié)

本文設(shè)計的胡克定律教學(xué)演示裝置主要由數(shù)顯電子秤、刻度尺、滑輪等組成，通過慢慢轉(zhuǎn)動滑輪2的調(diào)節(jié)手柄，間接調(diào)節(jié)彈性繩的伸長量，可直觀地觀察彈性繩從發(fā)生彈性形變到彈性失效的整個過程。通過實驗中記錄的數(shù)據(jù)還可以驗證胡克定律中彈性力和形變量之間的正比例關(guān)系，幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用胡克定律。該教學(xué)實驗裝置具有以下優(yōu)點：

（1）這種演示裝置的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，操作起來也比較簡單，學(xué)生更容易學(xué)習(xí)和理解，可以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（2）通過這種演示裝置，學(xué)生可以很直觀地觀察彈性繩發(fā)生形變的過程，并且還可以隨時讀取彈性繩的伸長量x和彈性力F的大小。

（3）用不同的彈性繩得到的F-x圖的斜率不同，從而可知不同的彈性繩彈性系數(shù)k不同，便于學(xué)生建立“彈性系數(shù)”這一概念。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉天長，王賢平，董蘭穎，等.胡克定律演示裝置改進及其教學(xué)分析[J].物理之友，2018，34（6）： 31-32.

[2]王馳明，王芳.胡克定律探究實驗的二次改進[J].中小學(xué)實驗與裝備，2018，28（5）：48-50.

[3]周庭艷，吳波.高中物理新舊教材胡克定律演示實驗的分析與改進[J].遵義師范學(xué)院學(xué)報，2015，17（6）：140-141，144.

[4]?？肆x.關(guān)于胡克定律演示實驗的改進研究[J].中國教育技術(shù)裝備，2016（9）：143-144.

（欄目編輯? ? 張正嚴(yán)）

收稿日期：2019-01-20

作者簡介：徐彬皓（2001-），男，重慶市南開中學(xué)高中在校生;成冬梅（1988-），女，中學(xué)高級教師，主要從事高中物理教學(xué)工作。