胡克定律探究实验的二次改进

安徽省蚌埠第一实验学校(233000) 王驰明 王 芳

人教版物理必修1第3章“相互作用”第2节“实验：探究弹簧弹力与弹簧形变量关系”是中学阶段重要的探究实验，使用弹簧测力计是力学测量的基础，对于认识弹力、重力、摩擦力、浮力等概念具有重要意义，能帮助学生完成对力的初步认识，为今后学习力学知识打下必要的基础。

1 常规探究胡克定律实验装置

在实际教学和各类比赛中教师通常采用铁架台、直尺等器材组装而成的实验装置进行实验，如图1所示。该装置结构稳定性差、操作不方便，采集数据时误差大，不利于开展实验。

图1 常规实验装置

2 实验方案的一次改进

2.1 实验装置的主要结构

方案一采用竖直面内悬挂轻质弹簧的方式。如图2所示，将轻质弹簧一端固定，另一端通过细绳跨过定滑轮拉伸弹簧。轻杆初始位置与复印胶片上表示弹力的横坐标轴重合，纵坐标记录弹簧的形变量。增加钩码(钩码质量为50 g)可使弹簧的弹力成倍增加，弹簧发生形变，带动轻杆向下运动。轻杆所在位置对应刻度即为弹簧伸长量，与事先标注好的表示弹力的横坐标对应。描绘出轻杆与竖直虚线的交点，连接各点得出弹簧弹力与弹簧伸长量的关系，省去记录数据的环节，更换复印胶片可进行多次实验。

1-仪器底座;2-立板;3-复印胶片;4-水平轻杆;5-细绳;6-轻弹簧;7-滑轮;8-砝码勾;9-钩码图2 探究弹力与弹簧伸长量关系演示仪1

改进后的实验方案与传统实验方案相比操作简单、携带方便，便于开展演示实验和分组实验，省去了记录数据的环节，减少实验误差。但该装置采用弹簧竖直悬挂的方法进行实验，由于弹簧自重的影响，实际上测量的不是弹簧弹力与伸长量的关系，而是弹簧弹力变化量与弹簧形变量的关系，很多教师在进行演示实验时并没有说明这一点。笔者设计的实验方案二较好的解决了这个问题。

方案二：人教版教材中弹簧的拉伸实验是把弹簧水平放置进行实验，如图3所示。细微的变化其实反映的是教材编者对于这一问题的重视，弹簧水平放置测量的才是弹簧弹力与伸长量的关系。受这一变化启发，笔者设计了探究“探究弹力与弹簧伸长量关系演示仪”，如图4所示。考虑到弹簧如果水平放置在桌面上拉动会有摩擦的存在，而且水平放置观察性也较差，该方案采用竖直面内水平悬挂轻质弹簧的方式。将轻质弹簧一端固定，另一端通过细绳跨过定滑轮拉伸弹簧。轻杆初始位置与复印胶片上表示力的坐标轴重合，通过增加钩码(钩码质量为50 g)可使弹簧的弹力成倍增加，弹簧发生形变带动轻杆沿横轴移动，轻杆所在位置对应的刻度即为弹簧伸长量。描绘出轻杆与竖直虚线的交点，连接各点可得出弹簧弹力与伸长量的关系，省去记录数据的环节，更换复印胶片可进行多次实验。

图3 人教版教材实验

1-仪器底座;2-立板;3-弹簧;4-复印胶片;5-滑轮;6-砝码勾;7-钩码;8-竖直轻杆;9-细线图4 探究弹力与弹簧伸长量关系演示仪2

2.2 改进实验在实际教学中的探究过程

2.2.1 方案一实验探究过程

(1)将轻杆初始位置与复印胶片上表示力的坐标轴重合，沿纵坐标移动的轻杆记录了弹簧的形变量，横轴表示弹力。

(2)向砝码钩上依次增加钩码(钩码质量为50 g)，描绘出轻杆与竖直虚线的交点得到一个坐标点。

(3)用平滑曲线拟合各点得到表示弹簧弹力与弹簧伸长量关系，如图5所示。学生展示成果，进行小组讨论后，抽选代表分析图像代表的意义。结合数学知识得出：弹簧弹力与弹簧的伸长量成正比。

图5 弹簧弹力与弹簧伸长量关系图1

2.2.2 方案二实验探究过程

(1)轻杆初始位置与复印胶片上表示力的坐标轴重合，沿横坐标移动的轻杆记录了弹簧的形变量，纵轴表示弹力。

(2)向砝码钩上依次增加钩码(钩码质量为50 g)，描绘出轻杆与竖直虚线的交点。

(3)用平滑曲线拟合得到表示弹簧弹力与弹簧伸长量的关系，如图6所示。学生展示成果，进行小组讨论后，抽选代表分析图像代表的意义。结合数学知识得出：弹簧弹力与弹簧的伸长量成正比。

图6 弹簧弹力与弹簧伸长量关系图2

3 改进实验装置的优点

(1)用立板替代铁架台结构更稳定，携带方便，便于开展演示实验和分组实验。

(2)弹簧由竖直放置改为水平放置，能够克服自重对测量伸长量的影响， 解决了许多教师在进行演示实验中遇到的这一问题，真正测量弹簧弹力与弹簧伸长量的关系。

(3)用复印胶片替代坐标纸，便于投影。同时，也可将两张胶片重叠进行对比分析，如图7所示。通过采用不同弹簧分析两条直线的斜率变化，能较好的使学生明白弹簧弹力与弹簧劲度系数有关。

图7 对比分析图

(4)以弹簧原长末端为坐标原点建立直角坐标系，通过寻找轻杆和表示力大小的虚线交点连线直接拟合出弹簧弹力与弹簧伸长量的线性关系，省出记录采集数据的环节，减小实验误差。

4 结束语

物理是一门以实验为基础的的学科，注重培养学生的科学素养和创新能力，为此要求教师应利用一些自制教具来辅助教学，把创新实验和物理教学有机融合。教师进行低成本的实验设计和开发，并将其带进课堂，相比于数字化实验更贴近生活。同时，可以鼓励学生利用现有知识和身边的器材积极参与到实验的设计和操作中来，有意识的培养他们的探索精神和动手能力。

自制的两组教具给学生提供了丰富的实验器材，在课堂教学中能够支撑学生的建构活动。鼓励学生在问题中思维，在情景中归纳，在实验中发现，在活动中交流与合作，从中体验科学探究的成功和喜悦。学生从这个过程中掌握了探究物理知识的方法，培养了科学探究精神，吸收了抽象的物理知识。