利用自制教具探究胡克定律

田雪晴

【摘要】胡克定律的探究实验在高中物理实验教学中占有非常重要的地位。本文分别利用传统实验装置和改进实验装置对胡克定律进行探究，并对两种实验方案的实验结果、实验的优势和不足进行比较分析，对胡克定律探究实验的教学给出了几点建议。

【关键词】高中物理;胡克定律;传统实验;改进实验装置

胡克定律的探究实验是学生在学完弹力这个概念以后，对弹簧弹力与弹簧伸长量（或压缩量）之间的关系进行的探究。对弹簧弹力与弹簧伸长量之间的关系进行探究，不仅可以帮助学生更好地理解胡克定律，认识弹簧弹力的大小和方向，在实验探究的过程中还可以培养学生的探究能力，提升学生的学科素养。下面利用传统实验装置和改进实验装置分别对胡克定律进行探究，并对两种实验方案作出比较分析。

一、传统装置对胡克定律的探究

1.实验过程

粤教版必修一第三章《相互作用》第三节《弹力》这一节“实验与探究”栏目给出了胡克定律探究实验的一般方法（如图1所示），将刻度尺和弹簧竖直悬挂在支架上，测量弹簧的原长，然后在弹簧下端悬挂不同质量的钩码，弹簧产生形变，用刻度尺测出弹簧的伸长量，弹簧弹力的大小即为钩码所受重力的大小，将弹簧弹力和弹簧伸长量一一记录在数据表格中，最后对实验数据进行处理，就可得到弹簧伸长量和弹簧弹力之间的关系，实验过程如下：

（1）组装好实验装置（如图2所示），测量弹簧此时的长度即为弹簧的原长=6.30cm;

（2）设计实验数据记录表格（如表1所示），取50g砝码悬挂在弹簧的下端，弹簧发生形变，将弹簧的长度和钩码的质量记录在表格中;

（3）改变钩码的质量，将弹簧的长度和钩码的质量记录在表格中（如表1所示）;

（4）对实验数据进行计算，并利用Excel软件作出弹簧弹力和弹簧伸长量之间的关系图，如图3所示。

2.实验结果和实验过程分析

由图像可知弹簧弹力和弹簧伸长量的图像是一条过原点的直线，所以弹簧弹力和弹簧伸长量成正比，满足表达式F=K·△x，其中K是弹簧的劲度系数，△x是弹簧的形变量。虽然实验结果比较理想，实验操作过程也不复杂，但是回顾整个实验过程，不难发现在整个实验过程中存在以下几点不足：

（1）实验误差较大。主要是因为竖直悬挂的弹簧和刻度尺不够稳定，读数时容易晃动，其次是用刻度尺测量弹簧长度时还存在读数的偶然误差。

（2）实验数据处理繁琐。要得到弹簧弹力和弹簧形变量之间的关系，不仅需要将钩码的质量转换成重力，還需要用利用弹簧长度和弹簧原长计算弹簧的伸长量，最后利用数学知识才能得到弹簧弹力和弹簧伸长量之间的关系。

二、自制教具对胡克定律的探究

通过对传统实验方案的分析，设计了如图4所示的实验装置，该装置主要由三个定滑轮、轻杆、细线、弹簧、钩码和特制坐标纸组成。细线的一端与弹簧相连，另一端悬挂钩码，实验开始时，让轻杆与坐标纸上表示钩码质量的横轴重合。接着在细线的另一端悬挂钩码，钩码受到的重力大小和弹簧弹力的大小相等，弹簧发生形变会使轻杆下移，轻杆下移的距离就是此时弹簧的伸长量，用铅笔描绘出轻杆和坐标纸上表示钩码质量的虚线的交点;然后，改变钩码的质量重复以上操作，描绘出不同质量下轻杆和坐标纸上虚线的交点;最后，取下坐标纸，用平滑的曲线将坐标纸上描绘的点连接起来，即可得到弹簧弹力和弹簧伸长量之间的关系图线。实验过程如下：

（1）按照图4所示的实验方案，组装好实验装置。不挂钩码，让弹簧自然伸长，调整好坐标纸的位置，使得轻杆和坐标纸上的横轴重合。

（2）在细线的另一端悬挂50g钩码，弹簧发生形变，轻杆下移，记录下轻杆和坐标纸上虚线的交点。

（3）逐渐增加钩码的质量（注意不要超出弹簧的劲度系数），依次标出轻杆和坐标纸上虚线的交点。

（4）取下坐标纸，用平滑的曲线将纸上的各点连接起来，得到如图5所示的图像。

（5）更换不同的弹簧，重复以上操作得到实验结果如图6所示。

结合数学知识对图5进行分析，可以得到弹簧的弹力和弹簧的伸长量呈正比，可见改进装置对胡克定律进行探究得到的实验结果和传统方案的探究结果一致，都满足胡克定律的表达式F=K·△x。对图6的实验结果进行分析可知，改变不同弹簧得到的实验结果都是过原点的直线，但是不同弹簧其直线的斜率不同，说明不同弹簧的劲度系数是不一样的，弹簧的劲度系数由弹簧本身的特性决定，进而帮助学生更好地理解胡克定律。

三、两种实验方案的比较和分析

两种实验方案都能较好地完成胡克定律的探究实验，而且各有优势，传统实验方案的优势在于得到的实验数据比较详细，学生在实验的过程中可以进一步熟练实验数据的记录方法和实验数据的处理方法，比如，实验数据记录表格的设计，利用数学知识得到弹簧弹力和弹簧伸长量的关系图像，利用实验数据得到弹簧劲度系数的大小等等。

改进装置的优势在于通过巧妙的设计，免去了中间数据处理的环节，直接得到弹簧弹力和弹簧伸长量的关系，大大简化了实验过程，也减小了实验数据测量的误差，用轻杆的下移来表示弹簧的形变也使得实验现象更加明显，更有利于分析弹力方向的特点。改进实验装置操作简单，现象明显，结果直观。因此，方便学生对胡克定律做更深入的探究，以帮助学生更好地理解胡克定律。

综上所述，两个实验方案都具有很强的实用性和可操作性，在实际教学时可以根据需要灵活选择。比如，在进行演示实验时可以考虑用改进实验方案，现象明显，结果直观;在进行操作性实验时可以选用传统实验方案，锻炼学生的实验操作能力、数据处理能力等。不过，两个实验方案都都还存在不足，比如，都只能探究弹簧弹力和弹簧伸长量之间的关系，不能探究弹簧弹力和弹簧压缩量之间的关系，所以还应进一步改进。

参考文献：

[1]吴登选.胡克定律演示实验的改进[J].教学仪器与实验，2009，25（7）：16.

[2]罗徽，代伟，马兰等.胡克定律探究实验装置的改进[J].物理实验，2015，35（3）：18-20.

责任编辑  杨  杰