实验探究“探究弹性势能的表达式”

卞望来

物理是一门以实验为基础的自然学科。高中物理教学就是要体现科学探究，培养学生的科學精神。以“探究弹性势能的表达式”的一节教学为例，除了从理论和图象法来推导以外，笔者还运用实验方法加以探究，由此来得到弹性势能的表达式，使得学生对物理的结果更令人信服，以此培养学生的科学探究方法。

笔者就实验探究“探究弹性势能的表达式”，现作如下介绍。

一、实验器材介绍

选用由碳钢材料制成的弹簧，直径1.4cm，共46匝，上端固定在竖直放置的木板左侧（在木板的右侧标注刻度），下端与一狭长（长约7cm）薄铝片相连，铝片作指针用，其重力可忽略不计。弹簧下端不挂重物时，指针所指刻度为0刻度，最小刻度值为1cm，刻度范围为0-50cm。在其前表面悬空固定两根铜丝，铜丝上吊有3cm×3cm×1.5cm 的红色塑料块（薄铝片在其上面），起记录位置的作用。另有质量均为50g钩码若干。

二、实验原理

实验装置竖直放置时，弹簧处于原长状态，指针所指刻度值为0。在弹簧下面放上钩码，让其从静止开始下落，钩码先加速，后减速，运动到最低点时速度为0。在此过程中，钩码所受合外力做功为0，WG+WN=0，其中WN为弹簧弹力对钩码所做的负功，且是变力做功，不易求得。而重力是恒力，只要测出钩码向下运动的距离，即记下其运动到最低点的位置，就容易求出重力所做功。这样就可求出钩码克服弹力所做功大小，这也就是弹簧的弹性势能大小。为记下钩码向下运动的最低位置，用塑料块做标记。当钩码向下运动时，就带动指针一起向下运动，指针碰到右下方的塑料块时，又带动塑料块向下运动。为使记录的位置精确，可让钩码重复上述运动多次，直到指针不再与塑料块相碰为止，则塑料块上表面所指示的刻度值即为钩码向下运动的距离，也是弹簧的伸长量。

三、实验过程

通过猜测，我们了解到弹簧的弹性势能与弹簧的形变量、劲度系数有关，因而采用控制变量法。首先保持弹簧的劲度系数不变，在弹簧下端分别挂上一个钩码、二个钩码、三个钩码，分别测出它们运动的最低位置及平衡位置（下面要用到），求出三种情况下钩码重力做功，这样就得到弹簧在不同伸长量下的弹性势能，比较弹性势能与伸长量的关系。其次，保持弹簧的形变量不变，改变弹簧的劲度系数。用中央有狭缝的金属片卡在弹簧中点，金属片固定在木板上，使下面的弹簧匝数为23匝，由此可推导弹簧的劲度系数为原来的2倍，挂上二个钩码，测出向下移动的距离，与原来弹簧下挂一个钩码时移动的距离相比较，弹簧的形变量是否相同。分析弹性势能与劲度系数的关系。

四、实验数据记录及处理

1.保持弹簧劲度系数不变时，其中m0=50g=5×10-2kg

从上面数据中可以发现三次弹簧的伸长量之比l1：l2：l3≈1：2：3，而弹性势能之比Ep1：Ep2：Ep3≈1：4：9，所以Ep∝l2。

2.保持弹簧伸长量不变，使，m2= 2m1=2m0

在实验中会得到弹性势能之比，所以综上所述，Ep∝l2，则Ep=k'kl2（1），k'为比例系数，那么k'到底多大呢？

从表一数据中，我们还不难发现：弹簧下端挂上钩码，钩码处于平衡状态时，弹簧伸长量大致是钩码运动到最低点时弹簧伸长量的一半。

所以，钩码处于平衡状态时，mg=k （2）

而Ep=WG=mgl （3）

由（1）（2）（3）式得：

得：

所以：

总之，我们老师在教学中要有新的教学理念，新的教学方式，发挥探究性教学作用，充分挖掘物理实验的魅力，调动学生学习的积极性。这样使学生既掌握了物理知识，又体会到了一般科学探究的方法、过程，最终让学生能享受学习。在这样的教学过程中，也培养了学生的科学精神，使学生养成实证意识和严谨的科学态度，勇于探究，敢于质疑，尊重事实，崇尚真知。

（作者单位：江苏省南菁高级中学）