胡克定律演示装置改进及其教学分析

(江西师范大学物理与通信电子学院,江西　南昌　330022)

1　问题的提出

胡克定律是力学中的一条基本定律,国内现有教科书关于“胡克定律”的教学均是通过演示实验，首先测量弹簧弹力F与所对应的弹簧伸长量x,然后绘制F-x图像，进而归纳总结出两者间的正比例关系。如图1所示,在人教版高中物理必修1教材中,将弹簧固定在左侧一端,弹簧下面垫有坐标纸,当弹簧处于原长时,让弹簧右端恰好与坐标纸起点对齐,用向右的力F拉弹簧,并记录弹簧弹力F1和F2与所对应的弹簧伸长量x1和x2,根据测量数据绘制F-x图。

图1

此演示装置将弹簧的固定方向由旧版教材中的竖直方向改为水平方向,克服了因弹簧本身重力带来的误差，但仍有不够完善的方面：(1) 弹簧弹力F及弹簧伸长量x均为粗略测量,只能得出一个近似的正比例关系,且未充分调动学生的探究兴趣，采用了结论导向型的教学方式;(2) 实验中没有理清弹簧弹力F、弹簧长度l、弹簧伸长量x三者间的关系,部分学生会误认为弹力F与弹簧长度l成正比;(3) 装置没有对弹簧劲度系数k进行比较分析,学生对此概念缺乏直观、正确的理解。

2　几种常见的“胡克定律”演示装置

(1) 竖直悬挂弹簧,改变钩码数量

如图2所示,随着钩码的逐个添加,弹簧伸长量x不断增大。实验贴近生活,现象直观明了,易于学生理解。然而弹簧伸长量x没有用刻度尺准确测量,未探究定律中的正比例关系,实验不够严谨。

图2

(2) 竖直悬挂弹簧,改变钩码数量,刻度尺测量弹簧伸长量

实验装置如图3所示,与图2相比,添加了刻度尺来记录弹簧伸长量x,便于绘制出F-x图像。

图3

(3) 弹簧末端添加指针,方便快速读数

如图4所示,在弹簧末端添加指针,便于学生快速读取并记录弹簧伸长量x。

图4

上述三种装置均为竖直悬挂,操作比较繁琐,在添加钩码时应缓慢逐个添加,以防止弹簧上下晃荡产生误差。

3　演示装置改进

为了克服胡克定律演示实验装置存在的不足,改进的演示装置采用水平悬挂法。如图5所示,弹簧左端固定,右端添加一指针,钩码放在钩码盘内,并通过定滑轮给弹簧施加一个向右的力F,刻度尺则由主尺(下)与副尺(上)组合而成,两者间可自由滑动,也可通过卡锁固定。

图5

演示实验操作流程如下:

(1) 调整仪器。当钩码盘空载时,调整刻度尺的位置,使主尺零刻度对齐弹簧左端,滑动副尺,使其零刻度对齐弹簧右端,按下卡锁使主副尺两者间固定。

(2) 实验测量。缓慢添加钩码个数,每添加一个,同时记录主、副刻度尺示数l、x,重复7次。

(3) 比较测量。换用粗细不同的弹簧重复步骤，记录在测量表中。

(4) 绘图分析。利用Excel软件,根据记录数据,分别绘制F-x和F-l图像。

4　教学分析

改进后的演示装置具有如下优点:

(1) 弹簧水平悬挂,操作步骤简单,误差较小;

(2) 添加了指针,实验数据显示直观,便于记录;

(3) 理清了弹簧弹力F、弹簧长度l、弹簧伸长量x三者间的数量关系,便于学生正确理解胡克定律。根据F-x图过原点、F-l图不过原点,可得出弹力F是与弹簧伸长量x成正比,而与弹簧长度l则不成正比;

(4) 用粗细不同的弹簧所得F-x图的斜率不同,从而可知是弹簧的劲度系数k不同,便于学生建立“劲度系数”这一概念。