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(xué)中占有非常重要的地位。本文分別利用傳統(tǒng)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(jié)果、實驗的優(yōu)勢和不足進行比較分析，對胡克定律探究實驗的教學(xué)給出了幾點建議。

【關(guān)鍵詞】高中物理;胡克定律;傳統(tǒng)實驗;改進實驗裝置

胡克定律的探究實驗是學(xué)生在學(xué)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(guān)系進行的探究。對彈簧彈力與彈簧伸長量之間的關(guān)系進行探究，不僅可以幫助學(xué)生更好地理解胡克定律，認(rèn)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(yǎng)學(xué)生的探究能力，提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。下面利用傳統(tǒng)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(tǒng)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(jié)《彈力》這一節(jié)“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(zhì)量的鉤碼，彈簧產(chǎn)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(shù)據(jù)表格中，最后對實驗數(shù)據(jù)進行處理，就可得到彈簧伸長量和彈簧彈力之間的關(guān)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(shè)計實驗數(shù)據(jù)記錄表格（如表1所示），取50g砝碼懸掛在彈簧的下端，彈簧發(fā)生形變，將彈簧的長度和鉤碼的質(zhì)量記錄在表格中;

（3）改變鉤碼的質(zhì)量，將彈簧的長度和鉤碼的質(zhì)量記錄在表格中（如表1所示）;

（4）對實驗數(shù)據(jù)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(guān)系圖，如圖3所示。

2.實驗結(jié)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(shù)，△x是彈簧的形變量。雖然實驗結(jié)果比較理想，實驗操作過程也不復(fù)雜，但是回顧整個實驗過程，不難發(fā)現(xiàn)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(wěn)定，讀數(shù)時容易晃動，其次是用刻度尺測量彈簧長度時還存在讀數(shù)的偶然誤差。

（2）實驗數(shù)據(jù)處理繁瑣。要得到彈簧彈力和彈簧形變量之間的關(guān)系，不僅需要將鉤碼的質(zhì)量轉(zhuǎn)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(shù)學(xué)知識才能得到彈簧彈力和彈簧伸長量之間的關(guān)系。

二、自制教具對胡克定律的探究

通過對傳統(tǒng)實驗方案的分析，設(shè)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(xì)線、彈簧、鉤碼和特制坐標(biāo)紙組成。細(xì)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(biāo)紙上表示鉤碼質(zhì)量的橫軸重合。接著在細(xì)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(fā)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(biāo)紙上表示鉤碼質(zhì)量的虛線的交點;然后，改變鉤碼的質(zhì)量重復(fù)以上操作，描繪出不同質(zhì)量下輕桿和坐標(biāo)紙上虛線的交點;最后，取下坐標(biāo)紙，用平滑的曲線將坐標(biāo)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(guān)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(diào)整好坐標(biāo)紙的位置，使得輕桿和坐標(biāo)紙上的橫軸重合。

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

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

（4）取下坐標(biāo)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(fù)以上操作得到實驗結(jié)果如圖6所示。

結(jié)合數(shù)學(xué)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(jié)果和傳統(tǒng)方案的探究結(jié)果一致，都滿足胡克定律的表達式F=K·△x。對圖6的實驗結(jié)果進行分析可知，改變不同彈簧得到的實驗結(jié)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(shù)是不一樣的，彈簧的勁度系數(shù)由彈簧本身的特性決定，進而幫助學(xué)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(yōu)勢，傳統(tǒng)實驗方案的優(yōu)勢在于得到的實驗數(shù)據(jù)比較詳細(xì)，學(xué)生在實驗的過程中可以進一步熟練實驗數(shù)據(jù)的記錄方法和實驗數(shù)據(jù)的處理方法，比如，實驗數(shù)據(jù)記錄表格的設(shè)計，利用數(shù)學(xué)知識得到彈簧彈力和彈簧伸長量的關(guān)系圖像，利用實驗數(shù)據(jù)得到彈簧勁度系數(shù)的大小等等。

改進裝置的優(yōu)勢在于通過巧妙的設(shè)計，免去了中間數(shù)據(jù)處理的環(huán)節(jié)，直接得到彈簧彈力和彈簧伸長量的關(guān)系，大大簡化了實驗過程，也減小了實驗數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)象明顯，結(jié)果直觀。因此，方便學(xué)生對胡克定律做更深入的探究，以幫助學(xué)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(xué)時可以根據(jù)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(xiàn)象明顯，結(jié)果直觀;在進行操作性實驗時可以選用傳統(tǒng)實驗方案，鍛煉學(xué)生的實驗操作能力、數(shù)據(jù)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(guān)系，不能探究彈簧彈力和彈簧壓縮量之間的關(guān)系，所以還應(yīng)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(xué)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(zé)任編輯? 楊? 杰