第4讲　实验二　探究弹力和弹簧伸长的

关系

1．(多选)在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中，以下说法正确的是

(　　)．

A．弹簧被拉伸时，不能超出它的弹性限度

B．用悬挂钩码的方法给弹簧施加拉力，应保证弹簧位于竖直位置且处于平衡状态

C．用直尺测得弹簧的长度即为弹簧的伸长量

D．用几个不同的弹簧，分别测出几组拉力与伸长量，得出拉力与伸长量之比相等

2．在“探究弹力和弹簧伸长关系”的实验中，某实验小组将不同数量的钩码分别挂在竖直弹簧下端，进行测量，根据实验所测数据，利用描点法作出了所挂钩码的重力G与弹簧总长L的关系图象，如图2-4-5所示．根据图象回答以下问题．

图2-4-5

(1)弹簧的原长为________．

(2)弹簧的劲度系数为________．

(3)分析图象，总结出弹簧弹力F跟弹簧长度L之间的关系式为________．

3．用如图2-4-6甲所示的装置测定弹簧的劲度系数，被测

      弹簧一端固定于A点，另一端B用细绳绕过定滑轮挂钩码，旁边竖直固定一最小刻度为mm的刻度尺，当挂两个钩码时，绳上一定点P对应刻度如图乙中ab虚线所示，再增加一个钩码后，P点对应刻度如图乙中cd虚线所示，已知每个钩码质量为50 g，重力加速度g＝9.8 m/s²，则被测弹簧的劲度系数为________N/m，挂三个钩码时弹簧的形变量为________cm.

图2-4-6

4．某同学利用如图2-4-7(a)装置做“探究弹簧弹力大小与其长度的关系”的实验．

(1)在安装刻度尺时，必须使刻度尺保持________状态．

(2)他通过实验得到如图(b)所示的弹力大小F与弹簧长度x的关系图线．由此图线可得该弹簧的原长x₀＝________ cm，劲度系数k＝________ N/m.

(3)他又利用本实验原理把该弹簧做成一把弹簧秤，当弹簧秤上的示数如图(c)所示时，该弹簧的长度x＝________ cm.

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万浩110112836物理学（师范）

第二部分   胡克定律（DIS实验报告）

传统实验

实验器材

刻度尺、铁架台（带铁夹）四个弹簧 白板  卷尺 钩码

实验步骤

1.固定弹簧到铁架台上，用刻度尺测出弹簧长度l₀；

2.在其弹性限度内用钩码在弹簧挂钩上加一个力F₁，用刻度尺测出弹簧此时长度l₁；

3.仿照步骤2，得到F₂，F₃，F₄，F₅，F₆和l₂，l₃，l₄，l₅，l₆；

4.换用另一根弹簧，重复1-3步；

5.整理器材。

DIS实验

实验目的

 探究弹性限度内引起弹簧形变的外力F与弹簧的形变量x之间是否成正比，即验证Fx是否成立；

实验原理 

胡克定律：弹簧在发生弹性形变时，弹簧的弹力F和弹簧的伸长量（或压缩量）x成正比，即F= -k·x 。k是物质的弹性系数，它由材料的性质所决定，负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长（或压缩）的方向相反。

实验器材

朗威®DISLab、计算机、弹簧、铁架台力、力传感器、位移传感器

实验过程与数据分析

1、 把位移传感器的接收端接到铁架台上，底端与弹簧上端持平

2、用位移传感器测出弹簧的原长L₀，在其弹性限度内用力传感器拉弹簧，得到F₁仿照步骤2，得到F₂，F₃，F₄，F₅，F₆和l₂，l₃，l₄，l₅，l₆

4、在计算表格中，增加变量F_N，并输入相应数值； 代表弹簧上受到的拉力 。

5、计算表格中增加变量x=L_X-L₀和F_X

6、输入计算胡克定律的表达式F= -k·x弹簧伸长量与力的关系测量实验结果 。得出实验结果

6、点击“组合图线”，选择X轴为弹簧伸长量x，Y轴为拉力F_X，可见所获得的数据点呈线性分布特征。点击“线性拟合”，得一条非常接近原点的直线，从而可以验证：在弹性限度内，引起弹簧形变的外力F与弹簧的形变量x之间成正比关系，即Fx；

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1.答案：（1）见答图1

     （2）F=kx，其中k=200N/m或F=200x

2.答案：（2）①L₅    L₆    ②6.85(6.84-6.86)  14.05(14.04-14.06) 

 ③7.20(7.18-7.22)    ④   1.75    ⑤28

解析：读数时应估读一位，所以其中L₅ 、L₆两个数值在记录时有误。根据实验原理可得后面几问的结果。

【考点】探究弹力和弹簧伸长的关系【点评】此题考查了基本仪器（刻度尺）的使用，以及基本试验方法（逐差法）的应用。这是高中物理实验的基本能力的考查，值得注意。

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实验：弹力与胡克定律

河南油田高级中学

一、教学目标

1．了解形变的概念，了解弹力是物体发生弹性形变时产生的。

2．能够正确判断弹力的有无和弹力的方向，正确画出物体受到的弹力。

3．掌握利用胡克定律计算弹簧弹力的方法。

二、重点、难点分析

1．弹力是在物体发生形变后产生的，了解弹力产生的原因、方向的判断和大小的计算是本节教学的重点。

2．弹力的有无和弹力方向的判断是教学中学生较难掌握的知识，在教学中应加以注意。

三、教具

1．演示形变用的橡皮泥、棉线、泡沫塑料、木板、弹簧、木块、激光器、平面镜等。

2．演示胡克定律用的带长度刻度的木板，弹簧、钩码等。

四、主要教学过程

(一)引入新课

前边我们研究了重力的特点，这一节课我们一起研究力学中的第二种力——弹力。

(二)教学过程设计

1．弹力

先来看几个小实验。用手捏橡皮泥、用力拉压弹簧、用力压木板，它们的形状都发生了变化。

(1)形变：物体的形状或体积的改变叫做形变。形变的原因是物体受到了外力。

一块橡皮泥用手可以捏成各种形状，捏后它将保持这种形状。棉线弯曲后的形状也不再复原。把一块木板压弯后，放手木板又恢复原形。把弹簧拉长后也能恢复原形。

能够恢复原来形状的形变，叫做弹性形变。弹簧、木板、泡沫塑料等发生的形变属于这一种。

不能够恢复的形变，叫做塑性形变。棉线，橡皮泥等发生的形变属于这一种。以后重点研究弹性形变，不加说明就指这种弹性形变。

实验：用铁丝弯成一根弹簧，跟用钢丝弯成的弹簧对比。在下面挂较少的钩码时，去掉钩码，两弹簧都能恢复原长。当下面挂的钩码较多时，铁丝制作的弹簧不能恢复原长，而钢丝弯成的弹簧可以恢复原长。可以看出，弹性形变是在一定范围内成立的。

让学生举几个弹性形变的例子。

以上讨论的都是明显的弹性形变，其实有时的弹性形变是用眼看不出但又确实存在的。

实验：桌面上放激光器、两个平面镜，激光通过两个平面镜反射后照到墙上。当用手压桌子时，墙上的光点发生移动，这说明桌面发生了形变。

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一、实验目的和要求

1、测定低碳钢的剪切屈服点、剪切强度，观察扭矩-转角曲线（曲线）。

2、观察低碳钢试样扭转破坏断口形貌。

3、测定低碳钢的剪切弹性模量G。

4、验证圆截面杆扭转变形的胡克定律（）。

5、依据低碳钢的弹性模量,大概计算出低碳钢材料的泊松比。

二、试验设备和仪器

    1、微机控制扭转试验机。

    2、游标卡尺。

    3、装夹工具。

三、实验原理和方法

遵照国家标准（GB/T10128-1998）采用圆截面试样的扭转试验，可以测定各种工程材料在纯剪切情况下的力学性能。如材料的剪切屈服强度点和抗剪强度等。圆截面试样必须按上述国家标准制成（如图1-1所示）。

  试验两端的夹持段铣削为平面，这样可以有效地防止试验时试样在试验机卡头中打滑。

图 1-1

    试验机软件的绘图系统可绘制扭矩-扭转角曲线，简称扭转曲线（图1-2中的曲线）。

  图3-2

   从图1-2可以看到，低碳钢试样的扭转试验曲线由弹性阶段（oa段）、屈服阶段（ab段）和强化阶段（cd段）构成，但屈服阶段和强化阶段均不像拉伸试验曲线中那么明显。由于强化阶段的过程很长，图中只绘出其开始阶段和最后阶段，破坏时试验段的扭转角可达以上。

  从扭转试验机上可以读取试样的屈服扭矩和破坏扭矩。由和计算材料的剪切屈服强度和抗剪强度，式中：为试样截面的抗扭截面系数。

  当圆截面试样横截面的最外层切应力达到剪切屈服点时，占横截面绝大部分的内层切应力仍低于弹性极限，因而此时试样仍表现为弹性行为，没有明显的屈服现象。当扭矩继续增加使横截面大部分区域的切应力均达到剪切屈服点时，试样会表现出明显的屈服现象，此时的扭矩比真实的屈服扭矩要大一些，对于破坏扭矩也会有同样的情况。

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浙江大学材料力学实验报告

(实验项目：扭弯组合)

一、实验目的：1、测定圆管在扭弯组合变形下一点处的主应力；

              2、测定圆管在扭弯组合变形下的弯矩和扭矩。

二、设备及试样：

1.      电阻应变仪；

2.      小型圆管扭弯组合装置。

试样尺寸及相关常数

三、实验原理：

     1、确定主应力和主方向

        (1)主应力由公式   确定

(2)主方向由公式  确定

(3)再由广义胡克定律算出主应力

     2、测定弯矩

        测弯矩使用公式 

     3、测定扭矩

        测扭矩使用公式 

     4、弯矩、扭矩、和主应力的理论值分别是

                   

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杨氏模量的测量

【实验目的】

1．1．掌握螺旋测微器的使用方法。

    2．学会用光杠杆测量微小伸长量。

3．学会用拉伸法金属丝的杨氏模量的方法。

【实验仪器】

   杨氏模量测定仪（包括：拉伸仪、光杠杆、望远镜、标尺），水准器，钢卷尺，螺旋测微器，钢直尺。

1、金属丝与支架（装置见图1）：金属丝长约0.5米，上端被加紧在支架的上梁上，被夹于一个圆形夹头。这圆形夹头可以在支架的下梁的圆孔内自由移动。支架下方有三个可调支脚。这圆形的气泡水准。使用时应调节支脚。由气泡水准判断支架是否处于垂直状态。这样才能使圆柱形夹头在下梁平台的圆孔转移动时不受摩擦。

2、光杠杆（结构见图2）：使用时两前支脚放在支架的下梁平台三角形凹槽内，后支脚放在圆柱形夹头上端平面上。当钢丝受到拉伸时，随着圆柱夹头下降，光杠杆的后支脚也下降，时平面镜以两前支脚为轴旋转。

图1                  图2                  图3

3、望远镜与标尺（装置见图3）：望远镜由物镜、目镜、十字分划板组成。使用实现调节目镜，使看清十字分划板，在调节物镜使看清标尺。这是表明标尺通过物镜成像在分划板平面上。由于标尺像与分划板处于同一平面，所以可以消除读书时的视差（即消除眼睛上下移动时标尺像与十字线之间的相对位移）。标尺是一般的米尺，但中间刻度为0。

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