[实用新型]探究弹簧弹性势能表达式的实验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种探究弹簧弹性势能表达式的实验装置。

背景技术

弹簧弹性势能的测定、性质、计算公式以及其与其他能量的转换关系，是高中阶段物理知识的重要内容，也是中学生必须掌握的基本知识内容。但是，由于弹簧势能的物理学抽象性，在教学上一直难以直观地演示。目前，在教授《探究弹性势能的表达式》这节课时，由于没有合适的探究弹簧弹性势能公式的实验装置，教材只能通过实例，定性判断弹性势能的大小与那些因素有关，然后通过微积分法得出弹性势能的表达式。教学实践中，为了实现让学生积极参与、乐于探究、勇于实验，教师还设计了多种形式的实验探究模式，其具体方法和优缺点为：

(1)、用位移传感器测量形变量。就是把位移传感器接受装置固定在物体下面，发射装置固定在物体的正下方，在物理下落过程中，测量出物体下落的最大距离，就是弹簧的形变量。其不足之处在于，在物体下落的过程中，很难保证物体竖直下落，只要有一点偏差，传感器就测不准位移的大小，在实验操作中成功的几率不高；并且计算时要把发射装置和接收装置与电脑相连，造成测量的误差较大，且实验室配置要求较高，实际上不能达到简单、精确的实验要求。

(2)、用摄像机拍下物体下落的过程，然后通过视频慢放技术，分帧处理，测出物体下落的高度，然后进行计算。这样做的优点是比较精确。缺点是对学生电脑技术要求太高，并且数据处理用的时间比较长，很难在一堂课中完成，并且一般学校实验器材配置很难达到相关要求，不能简单地完成分组实验。

因此，目前尚没有适合普通中学物理教学的探究弹簧弹性势能表达式的实验装置。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种结构简单、操作方便、演示直观、效果良好的探究弹簧弹性势能表达式的实验装置。

本实用新型是这样实现的：

一种探究弹簧弹性势能表达式的实验装置，它包括铁架台、弹簧、细管、细线、铁夹、钩码；铁架台由插在底座上的竖杆和固定在竖杆上的横梁组成；横梁上依次垂直固定有细管和弹簧，细管下端口向下伸入弹簧中；细线自上而下穿过细管、弹簧，细线上端用铁夹固定在细管上端，细线下端固定在弹簧末端；弹簧末端挂有钩码。

上述铁架台上的横梁是用螺栓固定在竖杆上；细管用螺丝固定在铁架台的横梁上。

上述细线为软棉线。

本实用新型的工作原理是：释放挂在弹簧下面的钩码时，钩码在重力作用下向下运动，弹簧被拉伸，钩码重力做正功，减小的重力势能，一部分转换为弹簧的弹性势能，一部分转换为钩码的动能；在钩码下落到最低点时，钩码的瞬时速度为零，动能也为零，在这一位置，钩码减少的重力势能全部转换为弹簧的弹性势能。只要求出钩码重力势能的减少量，就可以求出这一位置弹簧的弹性势能的大小。根据公式W＝mgx，就可以求出弹性势能大小为Ep＝mgx。其中x为钩码的运动距离。

在实验器材方面：铁架台、弹簧、细线、钩码、直尺、铁夹、细管(可以用旧的碳素笔芯)等，都是实验常备实验器材，都能解决实验设备配置问题。

在实验操作方面：只需要用直尺测出细线下落的长度，就知道弹簧的最大形变量，学生只要具备最基本的实验技能，每个学生都能独立完成；

在实验数据处理方面：利用坐标纸，做弹性势能和形变量的图像，能准确找出弹性势能与弹簧形变量的关系，数据处理和结论总结简单明了。

本实用新型在具体操作时，把实验探究和理论探究相结合，这样既能提高学生学习的兴趣，又可以帮助学生学习基本的科学研究方法。

本实用新型具体演示时可以采取下述步骤操作：

(1)、把细线穿过细管固定在弹簧末端，在弹簧处于自然状态时把细线上端用铁夹固定，在细管上端口处，用红笔在细线上做一个标记；

(2)、在弹簧末端挂上钩码，让钩码处于静止状态；然后缓慢释放钩码，当钩码静止时，此时在细管上端口处，用红笔在细线上做第二个标记，测量两个标记之间的长度x₁；根据胡克定律F＝KX₁，计算出劲度系数K；