探究彈簧勁度系數實驗改進與創新

張紹才，鄭潤成，閆迎利

(1.安陽市殷都區第二高級中學，河南 安陽 455136；2.安陽市殷都區明德高級中學，河南 安陽 455136)

1 問題的提出

人教社2019 版《物理》必修第一冊第三章第1節的實驗：探究彈簧彈力與形變量的關系。該實驗是物理必做實驗，表明該實驗的重要性。改進的實驗應能有效幫助學生理解彈簧彈力與形變量的關系、進一步掌握勁度系數的含義，理解胡克定律的物理意義。

（1）胡克定律實驗的改進與創新[1]；（2）直觀性胡克定律演示實驗創新設計[2]。這兩篇文章中介紹的實驗裝置利用非同一彈簧做實驗，與胡克定律的同一彈簧條件有差異，這是兩實驗裝置的不足之處。

2 演示實驗儀結構

在裝有水平調節螺絲的足座上，豎直裝一套筒，套筒頂端安裝帶有彈簧橫桿，利用旋扭通過里面的滑輪、鏈條可以調節鋼管在套筒中升降，從而調節彈簧在豎直方向上的初始位置。

圖1 結構：（1）彈簧夾用于固定彈簧的上方掛鉤；（2）升降旋鈕用于調節彈簧上的指針上下的位置；（3）坐標紙固定支架1、2 用于固定可以放坐標紙的平面；（4）利用水平儀可以條件底座水平。

圖1 本實驗儀主架的側面圖

圖2結構：（1）帶有指針的的彈簧；（2）坐標紙的平面左右兩側各固定安裝一個滾筒，滾筒長度與坐標紙等寬，滾筒上安裝把手，可以使壓在滾筒上的坐標紙左右移動

圖2 實驗儀的正面圖

3 演示實驗儀使用方法

3.1 單個彈簧驗證胡克定律實驗步驟

（1）把坐標紙固定在左右轉輪上；

（2）在直立的可上下移動的金屬桿的橫梁上，把帶有指針的彈簧的上邊的鉤子放在圖2 彈簧夾上固定；

（3）調節轉輪和升降旋鈕，確定并標記坐標系0 點。即：調節升降旋鈕，使彈簧上的指針指向坐標紙自己標記的橫軸刻度線；調節轉輪確定坐標紙縱軸刻度線；

（4）調節轉輪使坐標紙向左移動一大格(實驗者規定)，然后在彈簧上掛1 個鉤碼，標記位置；

（5）同步驟（4），調節轉輪使坐標紙向左再移動一大格，然后在彈簧上掛2 個鉤碼，標記位置；

（6）同步驟（4），調節轉輪使坐標紙向左每移動一大格在彈簧上多加掛1 個鉤碼，并標記位置；直到能完成的相應的實驗數據。

3.2 兩個串接彈簧的彈力與勁度系數關系的實驗步驟

（1）把兩個串接的彈簧固定在圖2 的彈簧夾上；

（2）調節轉輪，使3.1 中的0 點回到測量開始的狀態（即彈簧不加鉤碼狀態）；

（3）調節升降旋鈕，使串接彈簧得指針指向坐標紙0；

（4）同3.1（4）-（6）步驟

3.3 兩個并接彈簧的彈力與勁度系數關系的實驗步驟

（1）把兩個并接接的彈簧固定在圖2 的彈簧夾上；

（2）調節轉輪，使2.1 中的0 點回到測量開始的狀態；

（3）調節升降旋鈕，使并接彈簧得指針指向坐標紙0；

（4）同3.1（4）-（6）步驟

實驗結束后，把坐標紙從滾輪上取出并展開放到黑板上，即可驗證胡克定律，又能同時得到多彈簧勁度系數關系圖像。

4 實驗效果

（1）實驗便捷準確。新的實驗教具有利于學生分組實驗，操作簡單方便，用一個彈簧通過轉動坐標紙即可完成任務。利用自制教具能直接在坐標紙上描出圖像，得出胡克定律。

（2）一個彈簧即可完成胡克定律的驗證，避免不同彈簧參與實驗引起的理解歧義。

（3）一張坐標紙還可驗證兩根彈簧串聯、并聯的胡克定律，以及比較兩根彈簧串聯、并聯的勁度系數的不同。

（4）展開坐標紙即可得到F-x 圖像。使學生可以直觀認識比較不同彈簧的“勁度系數”，使學生對彈簧的物理性質有更深一步得理解。

（5）本實驗裝置可以添加刻度尺，讀出實驗數據；也可以用自制的刻度紙代替坐標紙，方便看演示實驗的學生處理實驗數據。

新課程要求中學物理教學重視實驗教學內容，因此構建開放性實驗課程資源，將能有效的促進學生的實驗能力和科學探究能力的提高。