徐彬皓 成冬梅
摘 要:在学习胡克定律时,基本是靠老师的语言阐述和简单的图文解说进行教学。对此,本文设计了一种胡克定律教学演示装置,其主要由数显弹簧秤、刻度尺、滑轮等组成。该演示装置可直观地演示弹性形变、弹性极限形变,并有效验证弹性力、弹性形变量及弹性系数之间的关系,帮助学生理解和应用胡克定律。
关键词:胡克定律;教学;演示装置
中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2019)4-0065-2
1 问题的提出
胡克定律是力学的一条基本定律,是中学物理力学中的重要内容。但学生学习胡克定律时,基本都是靠老师的口头阐述或简单的图文解说进行学习,由于缺乏较好的教学实验装置,不能直观地进行学习,导致学生对弹性系数、弹性形变量和弹性极限形变的理解缺乏直观感受。
2 常见的“胡克定律”演示装置
2.1 竖直悬挂弹簧,改变钩码数量
演示装置如图1所示,其主要由弹簧及钩码组成,随着钩码的增加,弹簧的伸长量x逐渐增大。该演示装置简单,弹簧变化直观明了,易于学生理解和学习,但该演示装置没有测量弹簧伸长量x,未探究胡克定律中的正比例关系,实验不够严谨[1]。
2.2 竖直悬挂弹簧,改变钩码数量,刻度尺测量弹簧伸长量
如图2所示,该装置在图1装置的基础上在竖直方向增加了刻度尺,可准确测量出弹簧的伸长量x,但该装置结构稳定性差、操作不方便,容易造成误差[2]。
为了更好地让学生学习胡克定律,笔者设计了一种在水平方向进行演示的装置,这种装置操作起来很简单,只要轻轻转动手柄就可以控制弹性绳的伸长量,还可以随时观察到弹性力的大小,弹性绳的变化过程也很直观、明显;同时,还可测量不同弹性绳的弹性系数,这样可以帮助学生更好地理解和应用胡克定律。
3 演示装置原理
由胡克定律可知,在弹性极限内,弹性力F的大小与弹性形变量x成正比关系,即F=kx,随着弹性力F的增大,形变量x也会随着增加,当F超过弹性极限时,弹性绳就会断裂。
4 演示装置的改进
该演示装置结构如图3所示。
弹性绳分别系于固定块1和滑块2上的双头螺柱一端,双头螺柱通过螺纹固定在固定块1和滑块2上。刚性绳1一端与滑块2连接,另一端与数显电子秤连接。刚性绳2一端与数显电子秤连接,另一端通过滑轮1绕在滑轮2上,滑轮1与滑轮2固定在背板上,但可转动。当滑轮2转动时滑块2和数显电子秤会随着刚性绳的缩放而沿着基座上的滑轨平移。
实验步骤及操作:
第一步:将弹性绳两端分别系于固定块1和滑块2的双头螺柱上。刚性绳1一端与滑块2连接,另一端与数显电子秤连接。刚性绳2一端与数显电子秤连接,另一端通过滑轮1绕在滑轮2上。
第二步:调节固定块1和滑块2的位置,使弹性绳处于自然伸张状态,并移动刻度尺使滑块2的前端面处于0刻度线处。
第三步:慢慢转动滑轮2的調节手柄,便可观察到弹性绳慢慢伸长,同时记录弹性绳伸长量x和弹性力F。伸长量x可由基座上的刻度尺记录,弹性力F可通过数显电子秤读取,当弹性力F超过弹性极限时,弹性绳便会断裂。
第四步:根据记录的数据,以弹性力F为Y轴,以伸长量x为X轴,用直尺根据各点作出拟合直线F-x,该直线的斜率就是弹性系数k。
5 总 结
本文设计的胡克定律教学演示装置主要由数显电子秤、刻度尺、滑轮等组成,通过慢慢转动滑轮2的调节手柄,间接调节弹性绳的伸长量,可直观地观察弹性绳从发生弹性形变到弹性失效的整个过程。通过实验中记录的数据还可以验证胡克定律中弹性力和形变量之间的正比例关系,帮助学生更好地理解和应用胡克定律。该教学实验装置具有以下优点:
(1)这种演示装置的结构比较稳定,操作起来也比较简单,学生更容易学习和理解,可以激起学生的学习兴趣。
(2)通过这种演示装置,学生可以很直观地观察弹性绳发生形变的过程,并且还可以随时读取弹性绳的伸长量x和弹性力F的大小。
(3)用不同的弹性绳得到的F-x图的斜率不同,从而可知不同的弹性绳弹性系数k不同,便于学生建立“弹性系数”这一概念。
参考文献:
[1]刘天长,王贤平,董兰颖,等.胡克定律演示装置改进及其教学分析[J].物理之友,2018,34(6): 31-32.
[2]王驰明,王芳.胡克定律探究实验的二次改进[J].中小学实验与装备,2018,28(5):48-50.
[3]周庭艳,吴波.高中物理新旧教材胡克定律演示实验的分析与改进[J].遵义师范学院学报,2015,17(6):140-141,144.
[4]常克义.关于胡克定律演示实验的改进研究[J].中国教育技术装备,2016(9):143-144.
(栏目编辑 张正严)
收稿日期:2019-01-20
作者简介:徐彬皓(2001-),男,重庆市南开中学高中在校生;成冬梅(1988-),女,中学高级教师,主要从事高中物理教学工作。