改进“探究弹力和弹簧伸长的关系”实验

杜 展

(淮北市天一中学　安徽 淮北　235000)



改进“探究弹力和弹簧伸长的关系”实验

杜 展

(淮北市天一中学安徽 淮北235000)

摘 要：传统教学上的“探究弹力和弹簧伸长的关系”实验所得到的弹力与弹簧伸长的关系图像不够准确，得到的结论牵强附会．本文介绍利用力和位移传感器改进实验，方便准确，结论具有说服力．

关键词：传感器数据采集软件弹簧

探究弹力和弹簧伸长的关系是人教版《高中物理·必修1》“弹力”的第二课时，是学生学习弹力的产生、有无的判断和常见几种弹力方向之后的一个探究性实验．为胡克定律的学习打下了基础，起到承上启下、理论与实践相结合的作用，也是培养学生探究式学习能力的一个很好机会．

1传统的实验局限性

如图1为传统实验，它的局限性如下.

图1

(1)受弹簧自身重力影响——弹簧在伸长时，测量的伸长量与实际值有偏差．

(2)弹簧长度读数误差较大，实验只能选取劲度系数较大的弹簧．

(3)钩码标值不准确，实验精度低——钩码的放置时间，直接影响重力的变化，而我们处理弹力时按照钩码标值来处理．

(4)受弹簧劲度系数、弹性限度和钩码的单个质量影响，采集数据不多——在弹簧的下端只能悬挂有限个钩码(往往4~5个)．

(5)增加钩码，弹簧出现振动，需要手动控制后，才能进行实验．

(6)实验数据处理过程缓慢，课堂反馈时间漫长——学生的好奇心未及时得到满足．

2改进措施

2.1实验器材

计算机，传感器数据采集器，力传感器，位移传感器(发射和接收)，待测弹簧，一端带滑轮的木板(或带自锁式手摇滑轮的木板)．

2.2操作步骤

图2

(1)使力传感器、接收位移传感器固定在木板的两端(如图2)．

(2)将弹簧的一端连接位移传感器，另一端连接发射位移传感器．

通过细线连接发射位移传感器，另一端通过定滑轮悬挂重物或自锁式手摇滑轮．两个位移传感器之间距离的减少量就是弹簧的伸长量．保证力传感器、位移传感器、弹簧在同一条直线上运动．

(3)利用旋转滑轮对弹簧施加力的作用，打开传感器软件，通过数据采集器将传感器数据显示在计算机上，显示力F，位移s示数，将其初始状态力与位移传感器示数消零．若最大位移消零，位移传感器的位移为负值，建立函数X=-s，式中X即可代表伸长量．

(4)点击软件中建立表格，自然生成记录表格．

(5)转动滑轮，点击记录数据，表格记录对应数据．

(6)重复步骤(5)，记录8~10组数据，通过记录的数据，点击软件中绘制图像，即可得到F与X的图像，通过图像即可得到弹力和弹簧伸长的关系．

3实验特点

(1)基本消除弹簧自身重力影响，测出形变量与实际值接近．

(2)位移和力传感器测量数据较为准确，数据误差小．

(3)实验中可以测量劲度系数较小的弹簧．

(4)记录数据的组数可以根据需要增加，数据充分，结论具有说服力．

(5)实验原理和操作简单，也可以更换弹簧重新操作实验，加深对弹簧劲度系数的理解．

(6)学生可以分组在传感器实验室进行操作，记录、分析、处理快，能够及时反馈实验结果，体现科学的无穷魅力．

4改进点

(1)细线通过自开的限位槽连接发射位移传感器，另一端通过带槽滑轮连接重物，牵引发射位移传感器运动，这样可以保证在测量中，两个位移传感器、弹簧在同一条直线上，位移传感器的距离减小量就是弹簧的伸长量，

(2)保证发射位移传感器运动中不晃动，保持稳定性，可在其上侧增加配重．

(3)发射位移传感器在细线的拉力、静摩擦力、弹簧的弹力作用下可在测量区域内处于静止状态．

(4)利用自锁式手摇滑轮来牵引发射位移传感器，实验更加方便．

在本节实际教学中可以适用以小组为单位，先后操作传统与创新实验，进行比较，这样可以激发学生的学习兴趣，提高学习、分析能力，进而树立科学的探索精神．

(收稿日期：2015-10-14)