“探究彈簧彈力與形變量的關系”實驗中彈簧重力的影響分析

徐可剛

(甘肅省酒泉中學 甘肅 酒泉 735000)

1 “輕彈簧”模型下的數據處理

(1)將彈簧放置在水平桌面上，測量彈簧靜止時的自然長度l0.

(2)將彈簧與一刻度尺并排且豎直懸掛，并讓刻度尺的零刻線與彈簧上端對齊，在彈簧下端懸掛不同數量的鉤碼，待彈簧穩定后，分別記錄懸掛鉤碼的重力Gi(i=1，2，3，…)和對應彈簧的長度li(i=1，2，3，…).

根據平衡條件可知，彈簧彈力等于鉤碼重力，有Fi=Gi．“輕彈簧”自身重力不計，彈簧的形變量為xi=li-l0．

(3)我們以彈簧彈力Fi為縱坐標，以彈簧的形變量xi為橫坐標，建立直角坐標系．將各組數據(Fi，xi)的對應點描繪在坐標系中，并用平滑曲線連接，便得到了彈簧彈力Fi與形變量xi的關系圖象，即F-x圖像．

理想結果應如圖1所示，圖線是一條過原點的直線．

圖1 理想的F-x圖像

2 “實際彈簧”模型下的數據處理

實際彈簧受一定的重力，將彈簧豎直懸掛后，由于自身重力作用，彈簧會產生一定的形變量．

2.1 彈簧由于自身重力產生的形變量

將一個勁度系數為κ，質量為m的均勻彈簧水平放置．以彈簧一端點為坐標原點O，沿其長度方向建立一維坐標系如圖2所示，則彈簧沿長度方向各部位均可用坐標x(0≤x≤L)表示．

從各學科對中高端酒店的研究分布圖可以看出，對中高端酒店研究最多的是服務業經濟，占比達43.68%；其次是貿易經濟，占比為22.99%；排名第三的是宏觀經濟管理與可持續發展，占比9.20%；旅游科學僅占比僅2.3%，排名第八。詳見圖2。

圖2 彈簧水平放置

取x到x+dx的一小段彈簧，該段彈簧的勁度系數為

(1)

如圖3所示，將彈簧豎直懸掛后(未懸掛鉤碼)，該段彈簧上端的受力為

下端的受力為

(2)

圖3 彈簧豎直放置

聯立式(1)、(2)可得

(3)

對式(3)積分可得整根彈簧的伸長量為

(4)

2.2 彈簧自身重力產生的形變量對實驗數據處理的影響

實驗中將彈簧豎直懸掛時，由于自身重力作用，彈簧已經產生了x0的形變量，此時彈簧(未懸掛鉤碼)的初始長度為

l0′=l0+x0

懸掛鉤碼后，彈簧的形變量進一步增大．當彈簧長度為li時，彈簧由于懸掛鉤碼而增加的伸長量為

xi=li-l0′=li-(l0+x0)

此時，對應彈簧彈力的增加量Fi等于懸掛鉤碼的重力Gi．根據胡克定律，有

Fi=κxi=κ[li-(l0+x0)]=

κ(li-l0)-κx0

(5)

聯立式(4)、(5)可知

(6)

若我們仍然把彈簧當做“輕彈簧”處理，則認為彈簧的形變量x等于彈簧懸掛鉤碼后的長度li與其自然長度l0的差值，即x=li-l0，則有

描點作圖后F-x圖像將如圖4所示，是一條不過原點的直線，與胡克定律不符．

圖4 實際F-x擬合圖線

2.3 具體實驗中該如何解決彈簧自身重力的影響

彈簧由于懸掛鉤碼增加的伸長量為

根據胡克定律有

(7)

以彈簧彈力的變化量F′為縱坐標，以彈簧形變量的變化量x′為橫坐標，描點作圖，圖像是一條過原點的直線，說明彈簧彈力的變化量與其形變量的變化量成正比．這也間接說明了彈簧彈力與形變量成正比．

3 結論