自制弹簧进行多个探究性实验

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1、自制弹簧进行多个探究性实验作者：胡君亮    文章来源：物理教学探讨    点击数：891    更新时间：2008-5-6 1问题的提出高中物理教材中有“探索弹力和弹簧伸长的关系”的探索性实验和“研究弹簧振子的周期和小球的质量的关系”的研究课题。我们组织学生对这两个实验进行探索与研究，利用实验室中现有的器材进行实验，结果都不甚理想。在“探索弹力和弹簧伸长的关系”的实验中，我们将最大测量范围为4.9N的弹簧秤的弹簧拆下来作为研究的对象，实验发现，大多数实验小组劲度系数的测量误差都在8%左右，而且都有随着弹力增大，劲度系数减小的现象，实验结

2、果与胡克定律相差太大，不能令人信服。究其原因，主要是弹簧的劲度系数太大，改变力的大小时弹黄发生的形变量较小，使弹簧长度测量时产生较大的相对误差。如果用这样的弹簧进行“弹簧振子的周期和小球的质量的关系研究”的实验，同样也是由于弹簧的劲度系数太大，使弹簧振子的振动周期较短，实验中数振子的全振动次数时，很容易发生差错。这两个实验所需要的弹簧，一般的实验室都还没有配备，市场上也很难找到。如果要自己制作一条合适的弹簧，需要细钢丝，请人加工或者自己绕制都有一定的困难。在实践中，我们发现卷绕着的电炉丝就是一条弹簧，能否用它来完成这两个探索性实验呢?2弹

3、簧的制作我们取一条“220V500W”的电炉丝，发现挂上质量为50g的钩码时弹簧并没有伸长。究其原因，是因为电炉丝本身就有收缩形变。而挂质量大一些的钩码，弹簧拉得稍长一些，撤去钩码后弹簧就不能恢复原长，这是由于电炉丝的材料并不是钢性材料，弹性形变的范围很小，显然不能直接用电炉丝来完成实验。要使电炉丝具有弹簧的弹性，需要对电炉丝进行热处理。为了消除电炉丝原先的收缩形变，增强电炉丝的弹性，为此我们专门请教了五金加工的师傅，了解了用“退火”和“淬火”的方法可以解决“收缩形变”和“增强钢性”的问题。具体的操作步骤是：(l)将电炉丝两端弯成两个圆圈

4、，实验时一个圆圈用于将电炉丝悬挂在铁架台的横杆上，另一个圆圈用来悬挂钩码。(2)在小木棒上钉2枚铁钉，2枚铁钉间的距离比电炉丝长度大3crn，2枚铁钉分别连接2条导线，接上插头。(3)将电炉丝拉长套在铁钉上，使各圈电炉丝都不彼此接触。(4)接通220V电源，进行“退火”处理，当电炉丝发红时切断电源，然后马上将电炉丝浸人冷水中，进行“淬火”处理。经过这样“退火”、“淬火”处理后，电炉丝就成了一条弹性理想的细弹簧了。3探究弹力和弹簧伸长的关系用自己制作的弹簧进行“探究弹力和弹黄伸长的关系”的实验时，为了拓宽学生的思路，在器材的选用上要尽量利用

5、生活中的一些物品，避免一提到质量相等就想到钩码，一说到弹力就想到弹簧秤。我们发现，学生采用同一型号的玻璃球或小钢珠进行实验，是一个比较合理的实验设计。在毫米刻度的米尺上钉一枚铁钉，将弹簧悬挂在铁钉上，弹簧下端挂一只质量可以忽略的塑料袋，测出弹簧的原长L0。在塑料袋中装人玻璃球，记录塑料袋中玻璃球的数目，测出塑料袋静止时弹簧的实际长度L，改变玻璃球的数目进行多次实验，研究弹力和弹簧伸长长度间的关系。我们选择了一个小组的研究成果，将实验数据记录在表1中。数据处理如图1所示。实验分析发现，实验相对误差大约1.3%，误差小的主要原因是弹簧形变量可

6、达40cm多，长度侧量时的相对误差较减小。4探索弹簧振子的周期和质量关系用自制弹簧进行“弹簧振子的周期和质量关系”课题研究。实验时将弹簧竖直悬挂起来，弹簧下端悬挂一只质量可以忽略的塑料袋，在塑料袋中装人玻璃球，记录塑料袋中玻璃球的数目，让塑料袋和玻璃球上下振动，测出多次全振动的时间t，计算振动的周期T，改变玻瑞球的数目进行多次实验。实验数据记录如表2所示，弹簧振子的质量和周期的关系图如图2所示。实验结果分析发现，实验的相对误差大约只有0.2%。原因在于用这样的弹簧进行振动的研究时，有效避免了一般的弹簧振动时产生的扭动现象，而且全振动次数多

7、达50次也未见振幅明显减小，这样周期测量的精确度就大大提高了。5研究复合振动的特殊现象在“弹簧振子的周期和质量关系”实验中，有些学生发现，当塑料袋中装入特定个数的玻璃球时，塑料袋和玻璃球的上下振动和左右摆动交替转化的现象，使周期的测量比较困难。针对这种意料之外的特殊现象，引导学生进行深入研究。当塑料袋中装入特定个数的玻璃球时，测定弹簧悬挂点到玻璃球重心的距离，以此为摆长制作一个单摆，测量单摆的周期。再从弹簧振子的质量和周期的关系实验图线中查找特定个数玻璃球时的周期，发现这两个周期相当接近。也就是说由玻璃球质量和弹簧的劲度系数决定的振动频率

8、刚好跟由弹簧和塑料袋长度决定的摆动频率相等，发生了一种特殊的共振现象。6探究弹簧的弹性势能弹簧发生形变时具有弹性势能，形变量越大弹性势能也越大，弹性势能与形变量之间有什么定量关系呢?能量的变化