自制豎直彈簧上小球的運動實驗裝置*

徐志平

(海安縣實驗中學 江蘇 南通 226600)

(收稿日期：2016-05-10)

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自制豎直彈簧上小球的運動實驗裝置*

徐志平

(海安縣實驗中學 江蘇 南通 226600)

(收稿日期：2016-05-10)

用實驗室原有的量筒、彈簧、金屬球、塑料球、玻璃棒等自制豎直彈簧上小球的運動實驗裝置，觀察、思考、分析其運動過程中力、加速度、速度、動能、重力勢能、彈性勢能等的變化，找好轉折點，總結其規律.

豎直彈簧 小球 速度變化 功 能量變化

小球在豎直彈簧上的運動過程中的力、加速度、速度、動能、重力勢能、彈性勢能等是不斷變化的，怎樣變化是許多學生一直理解不透的.為了幫助學生理解運動過程的變化，利用實驗室已有的器材，自制了豎直彈簧上小球的運動實驗裝置.

器材：

量筒1支(量程100 mL,高27 cm,內徑2.6 cm)，輕質圓柱形彈簧1根(絲徑0.1 cm,外徑2.2 cm,節距1 cm,自由高度 15 cm)，金屬球、塑料球各1個(半徑均為2.5 cm)，玻璃棒1根(長30 cm,有時也可用鉛筆、直尺等代替)，記號筆1支.實驗器材如圖1所示.

圖1 實驗器材

1 實驗一

1.1 步驟

(1)將量筒放在水平桌面上，開口朝上，將輕彈簧放到量筒中，待其靜止后，在量筒上記下彈簧上端對應的位置A，如圖2所示.

(2)將金屬球從量筒口放入量筒中，待其靜止后，在量筒上記下彈簧上端對應的位置B，如圖3所示，然后取出金屬球.

(3)將金屬球從量筒口O由靜止釋放，落入量筒中，觀察小球與彈簧作用過程中速度等物理量的變化，記下小球到達的最低點C，如圖4所示.

圖2彈簧靜止 圖3金屬球放在彈簧上靜止 圖4金屬球從筒口靜止釋放

1.2 現象

小球從O點到A點速度增大，從A點到B點速度依然增大，從B點到C點速度減小.

1.3 思考

(1)小球在B處時受到哪些力作用，什么關系？

(2)小球在從A到B的運動過程中受到哪些力作用，什么關系?此過程中小球的加速度、速度分別如何變化？

(3)小球在從A到B的運動過程中，哪些力做功，重力勢能、彈性勢能、動能分別如何變化？

(4)小球在從B到C的運動過程中受到哪些力作用，什么關系?此過程中小球的加速度、速度分別如何變化？

(5)小球在從B到C的運動過程中，哪些力做功，重力勢能、彈性勢能、動能分別如何變化？

1.4 分析

(1)小球在B處時受到重力、彈簧彈力作用，二力平衡,如圖5所示.

(2)小球在從A到B的運動過程中受到重力、彈簧彈力作用，重力大于彈簧彈力,如圖6所示，彈簧彈力由零逐漸增大到等于重力，此過程中小球的加速度減小，速度增大.

(3)小球在從A到B的運動過程中，重力做正功，彈簧彈力做負功，合外力做正功，重力勢能減少，彈性勢能增加，動能增加.

(4)小球在從B到C的運動過程中受到重力、彈簧彈力作用，重力小于彈簧彈力，如圖7所示，彈簧彈力由等于重力逐漸增大，此過程中小球的加速度增大，速度減小.

圖5在B處受力分析 圖6從A到B受力分析 圖7從B到C受力分析

(5)小球在從B到C的運動過程中，重力做正功，彈簧彈力做負功，合外力做負功，重力勢能減少，彈性勢能增加，動能減少.

1.5 說明

實際實驗中，運動過程中由于有阻尼作用，小球下落速度最大處應在B點上方一點.

2 實驗二

2.1 步驟

(1)將金屬球放到彈簧上，用玻璃棒將彈簧壓縮到D點(在B，C兩點間某處)，然后突然抽出玻璃棒，讓小球彈上去，觀察小球的運動速度等物理量的變化，記下最高點O1，如圖8所示，取出金屬球，用刻度尺量出DO1距離H1.

圖8 用玻璃棒壓金屬球 圖9 用玻璃棒壓塑料球

(2)將塑料球放到彈簧上，用玻璃棒將彈簧壓縮到D點，然后突然抽出玻璃棒，讓小球彈上去，觀察小球的運動速度等物理量的變化，記下最高點O2,如圖9所示，取出塑料球，用刻度尺量出DO2距離H2.

(3)用天平測出金屬球的質量M1，塑料球的質量M2.

2.2 現象

將相同的彈簧壓到相同的位置釋放，金屬球彈起的高度小于塑料球彈起的高度.

2.3 思考

(1)小球彈起過程中，加速度、速度如何變化，重力勢能、彈性勢能、動能分別如何變化？

(2)兩小球彈起的高度與小球質量之間有何定量關系？

2.4 分析

(1)小球彈起過程中，先做加速度減小的加速運動，再做加速度增大的減速運動，離開彈簧后豎直上拋.小球彈起過程中，小球的重力勢能增加，彈簧的彈性勢能減少(小球離開后彈簧彈性勢能為零不變)，小球的動能先增加后減少.

(2)在誤差允許的范圍內，可以得到M1H1=M2H2.因為初始狀態下彈簧的彈性勢能相同(都到D點)，彈起過程中系統機械能守恒，最高點時小球的重力勢能也就相同.

*南通市教育科學研究中心立項課題“重組物理實驗器材，自制物理實驗裝置”,項目編號：193

徐志平(1970- )，男，中教高級，主要從事中學物理教學及研究.