田雪晴
【摘要】胡克定律的探究實(shí)驗(yàn)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有非常重要的地位。本文分別利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置對胡克定律進(jìn)行探究,并對兩種實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢和不足進(jìn)行比較分析,對胡克定律探究實(shí)驗(yàn)的教學(xué)給出了幾點(diǎn)建議。
【關(guān)鍵詞】高中物理;胡克定律;傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn);改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置
胡克定律的探究實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在學(xué)完彈力這個(gè)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(jìn)行的探究。對彈簧彈力與彈簧伸長量之間的關(guān)系進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置分別對胡克定律進(jìn)行探究,并對兩種實(shí)驗(yàn)方案作出比較分析。
一、傳統(tǒng)裝置對胡克定律的探究
1.實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)與探究”欄目給出了胡克定律探究實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,就可得到彈簧伸長量和彈簧彈力之間的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)過程如下:
(1)組裝好實(shí)驗(yàn)裝置(如圖2所示),測量彈簧此時(shí)的長度即為彈簧的原長=6.30cm;
(2)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)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(diǎn)的直線,所以彈簧彈力和彈簧伸長量成正比,滿足表達(dá)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(shí)驗(yàn)結(jié)果比較理想,實(shí)驗(yàn)操作過程也不復(fù)雜,但是回顧整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程,不難發(fā)現(xiàn)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中存在以下幾點(diǎn)不足:
(1)實(shí)驗(yàn)誤差較大。主要是因?yàn)樨Q直懸掛的彈簧和刻度尺不夠穩(wěn)定,讀數(shù)時(shí)容易晃動(dòng),其次是用刻度尺測量彈簧長度時(shí)還存在讀數(shù)的偶然誤差。
(2)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)驗(yàn)方案的分析,設(shè)計(jì)了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置,該裝置主要由三個(gè)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(shí)驗(yàn)開始時(shí),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(huì)使輕桿下移,輕桿下移的距離就是此時(shí)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(diǎn);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(diǎn);最后,取下坐標(biāo)紙,用平滑的曲線將坐標(biāo)紙上描繪的點(diǎn)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(shí)驗(yàn)過程如下:
(1)按照圖4所示的實(shí)驗(yàn)方案,組裝好實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。
(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(diǎn)。
(4)取下坐標(biāo)紙,用平滑的曲線將紙上的各點(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
結(jié)合數(shù)學(xué)知識對圖5進(jìn)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(jìn)裝置對胡克定律進(jìn)行探究得到的實(shí)驗(yàn)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(dá)式F=K·△x。對圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知,改變不同彈簧得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是過原點(diǎn)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(jìn)而幫助學(xué)生更好地理解胡克定律。
三、兩種實(shí)驗(yàn)方案的比較和分析
兩種實(shí)驗(yàn)方案都能較好地完成胡克定律的探究實(shí)驗(yàn),而且各有優(yōu)勢,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)勢在于得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較詳細(xì),學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中可以進(jìn)一步熟練實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄方法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法,比如,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格的設(shè)計(jì),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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到彈簧勁度系數(shù)的大小等等。
改進(jìn)裝置的優(yōu)勢在于通過巧妙的設(shè)計(jì),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(shí)驗(yàn)過程,也減小了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯,更有利于分析彈力方向的特點(diǎn)。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)方案都具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性,在實(shí)際教學(xué)時(shí)可以根據(jù)需要靈活選擇。比如,在進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)時(shí)可以考慮用改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案,現(xiàn)象明顯,結(jié)果直觀;在進(jìn)行操作性實(shí)驗(yàn)時(shí)可以選用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案,鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力、數(shù)據(jù)處理能力等。不過,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步改進(jìn)。
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