利用传感器改良胡克定律演示仪①

于 淼 金 冬

(江苏省高邮第一中学，江苏 扬州 225600)

1 引言

传统实验只能测定弹簧拉伸时的胡克定律(图1)，[1]不能得到弹簧压缩时的胡克定律，笔者曾用电子秤进行研究弹簧在拉伸和压缩情况下的胡克定律，实验效果比较好。[2]进一步的研究发现：基于传感器改良的胡克定律演示仪能更加方便地探究弹簧在拉伸和压缩情况下的弹力与形变量的关系，可较精确地测出弹簧的劲度系数,探究串并联弹簧劲度系数的特点。

图1

2 仪器简介及实验过程

2.1 仪器简介

实验器材：传感器式胡克定律演示仪、三组弹簧等。

如图2所示，将弹簧通过卡扣固定在固定板和移动板之间，使弹簧处于原长，并使力传感器读数归零，通过摇动手轮将弹簧压缩或拉长，从而改变弹簧的形变量，其值通过左边的刻度尺读出，为了数据处理方便，可以每改变0.5cm测一次，每改变一次弹簧的形变量记录一次力传感器的读数，再通过Excel描点作图，拟合直线的斜率即为弹簧的劲度系数。

图2

2.2 探究胡克定律和测定弹簧的劲度系数

选用一根原长为10cm的弹簧进行实验，通过摇动手轮可以将弹簧先压缩再拉长，得到11组数据(表1)，利用Excel描点作图(图3)，拟合直线，得到的斜率即为弹簧的劲度系数。

表1

图3

从图3可以看出，弹簧不管是压缩还是伸长，弹力大小都与形变量成正比，即F=kΔx，也就是胡克定律，其中k是弹簧的劲度系数，图线的斜率即为弹簧的劲度系数，k1=183.24N/m。

2.3 探究并联弹簧的劲度系数的特点

将两根原长为10cm的弹簧并联，重复上述操作过程，得到表2和图4。从图4可以看出：弹簧并联时弹力与形变量也成线性关系，即胡克定律仍成立，此时劲度系数k2=367.51N/m，k2=2k1，说明弹簧并联时劲度系数变大。

表2

图4

2.4 探究串联弹簧的劲度系数的特点

取一根原长为5cm的弹簧，重复上述操作过程，得到表3和图5。从图5可以得到此弹簧的劲度系数k3=363.67N/m，k3=2k1，图3中10cm的弹簧可以看成由两根5cm的弹簧串联而成，则当弹簧串联时劲度系数变小。

表3

图5

2.5 小结

由三个探究实验可以看出：不管弹簧是压缩还是伸长，弹簧的弹力均与形变量成正比，F-x图像的斜率即为弹簧的劲度系数；并联后的弹簧的劲度系数变大；串联后的弹簧劲度系数变小。通过这三个实验可以使学生对胡克定律有更深的理解，该实验相比传统的实验具有明显的优点：(1)自制教具并结合传感器技术，实验精度高；(2)研究了弹簧不管是伸长还是压缩时弹簧的弹力与形变量的定量关系；(3)研究了相同弹簧并联和串联后劲度系数的变化情况；(4)实验操作简单，数据处理方便，实验效果明显。此教具在2019年江苏省“高中物理实验创新评比”中受到广大评委和同行的一致好评，荣获二等奖。

3 结语

利用传感器改良的实验具有采集数据快、精确度高、数据处理方便等优点，在教学过程中物理老师可以利用传感器改良更多的实验，更好地呈现物理规律，让学生自己动手设计实验、多做实验，激发学生学习物理的兴趣，切实提高课堂效率和教学效果。