探究弹簧劲度系数实验改进与创新

张绍才，郑润成，闫迎利

(1.安阳市殷都区第二高级中学，河南 安阳 455136；2.安阳市殷都区明德高级中学，河南 安阳 455136)

1 问题的提出

人教社2019 版《物理》必修第一册第三章第1节的实验：探究弹簧弹力与形变量的关系。该实验是物理必做实验，表明该实验的重要性。改进的实验应能有效帮助学生理解弹簧弹力与形变量的关系、进一步掌握劲度系数的含义，理解胡克定律的物理意义。

（1）胡克定律实验的改进与创新[1]；（2）直观性胡克定律演示实验创新设计[2]。这两篇文章中介绍的实验装置利用非同一弹簧做实验，与胡克定律的同一弹簧条件有差异，这是两实验装置的不足之处。

2 演示实验仪结构

在装有水平调节螺丝的足座上，竖直装一套筒，套筒顶端安装带有弹簧横杆，利用旋扭通过里面的滑轮、链条可以调节钢管在套筒中升降，从而调节弹簧在竖直方向上的初始位置。

图1 结构：（1）弹簧夹用于固定弹簧的上方挂钩；（2）升降旋钮用于调节弹簧上的指针上下的位置；（3）坐标纸固定支架1、2 用于固定可以放坐标纸的平面；（4）利用水平仪可以条件底座水平。

图1 本实验仪主架的侧面图

图2结构：（1）带有指针的的弹簧；（2）坐标纸的平面左右两侧各固定安装一个滚筒，滚筒长度与坐标纸等宽，滚筒上安装把手，可以使压在滚筒上的坐标纸左右移动

图2 实验仪的正面图

3 演示实验仪使用方法

3.1 单个弹簧验证胡克定律实验步骤

（1）把坐标纸固定在左右转轮上；

（2）在直立的可上下移动的金属杆的横梁上，把带有指针的弹簧的上边的钩子放在图2 弹簧夹上固定；

（3）调节转轮和升降旋钮，确定并标记坐标系0 点。即：调节升降旋钮，使弹簧上的指针指向坐标纸自己标记的横轴刻度线；调节转轮确定坐标纸纵轴刻度线；

（4）调节转轮使坐标纸向左移动一大格(实验者规定)，然后在弹簧上挂1 个钩码，标记位置；

（5）同步骤（4），调节转轮使坐标纸向左再移动一大格，然后在弹簧上挂2 个钩码，标记位置；

（6）同步骤（4），调节转轮使坐标纸向左每移动一大格在弹簧上多加挂1 个钩码，并标记位置；直到能完成的相应的实验数据。

3.2 两个串接弹簧的弹力与劲度系数关系的实验步骤

（1）把两个串接的弹簧固定在图2 的弹簧夹上；

（2）调节转轮，使3.1 中的0 点回到测量开始的状态（即弹簧不加钩码状态）；

（3）调节升降旋钮，使串接弹簧得指针指向坐标纸0；

（4）同3.1（4）-（6）步骤

3.3 两个并接弹簧的弹力与劲度系数关系的实验步骤

（1）把两个并接接的弹簧固定在图2 的弹簧夹上；

（2）调节转轮，使2.1 中的0 点回到测量开始的状态；

（3）调节升降旋钮，使并接弹簧得指针指向坐标纸0；

（4）同3.1（4）-（6）步骤

实验结束后，把坐标纸从滚轮上取出并展开放到黑板上，即可验证胡克定律，又能同时得到多弹簧劲度系数关系图像。

4 实验效果

（1）实验便捷准确。新的实验教具有利于学生分组实验，操作简单方便，用一个弹簧通过转动坐标纸即可完成任务。利用自制教具能直接在坐标纸上描出图像，得出胡克定律。

（2）一个弹簧即可完成胡克定律的验证，避免不同弹簧参与实验引起的理解歧义。

（3）一张坐标纸还可验证两根弹簧串联、并联的胡克定律，以及比较两根弹簧串联、并联的劲度系数的不同。

（4）展开坐标纸即可得到F-x 图像。使学生可以直观认识比较不同弹簧的“劲度系数”，使学生对弹簧的物理性质有更深一步得理解。

（5）本实验装置可以添加刻度尺，读出实验数据；也可以用自制的刻度纸代替坐标纸，方便看演示实验的学生处理实验数据。

新课程要求中学物理教学重视实验教学内容，因此构建开放性实验课程资源，将能有效的促进学生的实验能力和科学探究能力的提高。