自制竖直弹簧上小球的运动实验装置*

徐志平

(海安县实验中学 江苏 南通 226600)

(收稿日期：2016-05-10)



自制竖直弹簧上小球的运动实验装置*

徐志平

(海安县实验中学 江苏 南通 226600)

(收稿日期：2016-05-10)

用实验室原有的量筒、弹簧、金属球、塑料球、玻璃棒等自制竖直弹簧上小球的运动实验装置，观察、思考、分析其运动过程中力、加速度、速度、动能、重力势能、弹性势能等的变化，找好转折点，总结其规律.

竖直弹簧 小球 速度变化 功 能量变化

小球在竖直弹簧上的运动过程中的力、加速度、速度、动能、重力势能、弹性势能等是不断变化的，怎样变化是许多学生一直理解不透的.为了帮助学生理解运动过程的变化，利用实验室已有的器材，自制了竖直弹簧上小球的运动实验装置.

器材：

量筒1支(量程100 mL,高27 cm,内径2.6 cm)，轻质圆柱形弹簧1根(丝径0.1 cm,外径2.2 cm,节距1 cm,自由高度 15 cm)，金属球、塑料球各1个(半径均为2.5 cm)，玻璃棒1根(长30 cm,有时也可用铅笔、直尺等代替)，记号笔1支.实验器材如图1所示.

图1 实验器材

1 实验一

1.1 步骤

(1)将量筒放在水平桌面上，开口朝上，将轻弹簧放到量筒中，待其静止后，在量筒上记下弹簧上端对应的位置A，如图2所示.

(2)将金属球从量筒口放入量筒中，待其静止后，在量筒上记下弹簧上端对应的位置B，如图3所示，然后取出金属球.

(3)将金属球从量筒口O由静止释放，落入量筒中，观察小球与弹簧作用过程中速度等物理量的变化，记下小球到达的最低点C，如图4所示.

图2弹簧静止 图3金属球放在弹簧上静止 图4金属球从筒口静止释放

1.2 现象

小球从O点到A点速度增大，从A点到B点速度依然增大，从B点到C点速度减小.

1.3 思考

(1)小球在B处时受到哪些力作用，什么关系？

(2)小球在从A到B的运动过程中受到哪些力作用，什么关系?此过程中小球的加速度、速度分别如何变化？

(3)小球在从A到B的运动过程中，哪些力做功，重力势能、弹性势能、动能分别如何变化？

(4)小球在从B到C的运动过程中受到哪些力作用，什么关系?此过程中小球的加速度、速度分别如何变化？

(5)小球在从B到C的运动过程中，哪些力做功，重力势能、弹性势能、动能分别如何变化？

1.4 分析

(1)小球在B处时受到重力、弹簧弹力作用，二力平衡,如图5所示.

(2)小球在从A到B的运动过程中受到重力、弹簧弹力作用，重力大于弹簧弹力,如图6所示，弹簧弹力由零逐渐增大到等于重力，此过程中小球的加速度减小，速度增大.

(3)小球在从A到B的运动过程中，重力做正功，弹簧弹力做负功，合外力做正功，重力势能减少，弹性势能增加，动能增加.

(4)小球在从B到C的运动过程中受到重力、弹簧弹力作用，重力小于弹簧弹力，如图7所示，弹簧弹力由等于重力逐渐增大，此过程中小球的加速度增大，速度减小.

图5在B处受力分析 图6从A到B受力分析 图7从B到C受力分析

(5)小球在从B到C的运动过程中，重力做正功，弹簧弹力做负功，合外力做负功，重力势能减少，弹性势能增加，动能减少.

1.5 说明

实际实验中，运动过程中由于有阻尼作用，小球下落速度最大处应在B点上方一点.

2 实验二

2.1 步骤

(1)将金属球放到弹簧上，用玻璃棒将弹簧压缩到D点(在B，C两点间某处)，然后突然抽出玻璃棒，让小球弹上去，观察小球的运动速度等物理量的变化，记下最高点O1，如图8所示，取出金属球，用刻度尺量出DO1距离H1.

图8 用玻璃棒压金属球 图9 用玻璃棒压塑料球

(2)将塑料球放到弹簧上，用玻璃棒将弹簧压缩到D点，然后突然抽出玻璃棒，让小球弹上去，观察小球的运动速度等物理量的变化，记下最高点O2,如图9所示，取出塑料球，用刻度尺量出DO2距离H2.

(3)用天平测出金属球的质量M1，塑料球的质量M2.

2.2 现象

将相同的弹簧压到相同的位置释放，金属球弹起的高度小于塑料球弹起的高度.

2.3 思考

(1)小球弹起过程中，加速度、速度如何变化，重力势能、弹性势能、动能分别如何变化？

(2)两小球弹起的高度与小球质量之间有何定量关系？

2.4 分析

(1)小球弹起过程中，先做加速度减小的加速运动，再做加速度增大的减速运动，离开弹簧后竖直上抛.小球弹起过程中，小球的重力势能增加，弹簧的弹性势能减少(小球离开后弹簧弹性势能为零不变)，小球的动能先增加后减少.

(2)在误差允许的范围内，可以得到M1H1=M2H2.因为初始状态下弹簧的弹性势能相同(都到D点)，弹起过程中系统机械能守恒，最高点时小球的重力势能也就相同.

*南通市教育科学研究中心立项课题“重组物理实验器材，自制物理实验装置”,项目编号：193

徐志平(1970- )，男，中教高级，主要从事中学物理教学及研究.