徐志平

(海安縣實(shí)驗(yàn)中學(xué) 江蘇 南通 226600)

(收稿日期：2016-05-10)

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自制豎直彈簧上小球的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置*

徐志平

(海安縣實(shí)驗(yàn)中學(xué) 江蘇 南通 226600)

(收稿日期：2016-05-10)

用實(shí)驗(yàn)室原有的量筒、彈簧、金屬球、塑料球、玻璃棒等自制豎直彈簧上小球的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，觀察、思考、分析其運(yùn)動(dòng)過程中力、加速度、速度、動(dòng)能、重力勢能、彈性勢能等的變化，找好轉(zhuǎn)折點(diǎn)，總結(jié)其規(guī)律.

豎直彈簧 小球 速度變化 功 能量變化

小球在豎直彈簧上的運(yùn)動(dòng)過程中的力、加速度、速度、動(dòng)能、重力勢能、彈性勢能等是不斷變化的，怎樣變化是許多學(xué)生一直理解不透的.為了幫助學(xué)生理解運(yùn)動(dòng)過程的變化，利用實(shí)驗(yàn)室已有的器材，自制了豎直彈簧上小球的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置.

器材：

量筒1支(量程100 mL,高27 cm,內(nèi)徑2.6 cm)，輕質(zhì)圓柱形彈簧1根(絲徑0.1 cm,外徑2.2 cm,節(jié)距1 cm,自由高度 15 cm)，金屬球、塑料球各1個(gè)(半徑均為2.5 cm)，玻璃棒1根(長30 cm,有時(shí)也可用鉛筆、直尺等代替)，記號(hào)筆1支.實(shí)驗(yàn)器材如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)器材

1 實(shí)驗(yàn)一

1.1 步驟

(1)將量筒放在水平桌面上，開口朝上，將輕彈簧放到量筒中，待其靜止后，在量筒上記下彈簧上端對(duì)應(yīng)的位置A，如圖2所示.

(2)將金屬球從量筒口放入量筒中，待其靜止后，在量筒上記下彈簧上端對(duì)應(yīng)的位置B，如圖3所示，然后取出金屬球.

(3)將金屬球從量筒口O由靜止釋放，落入量筒中，觀察小球與彈簧作用過程中速度等物理量的變化，記下小球到達(dá)的最低點(diǎn)C，如圖4所示.

圖2彈簧靜止 圖3金屬球放在彈簧上靜止 圖4金屬球從筒口靜止釋放

1.2 現(xiàn)象

小球從O點(diǎn)到A點(diǎn)速度增大，從A點(diǎn)到B點(diǎn)速度依然增大，從B點(diǎn)到C點(diǎn)速度減小.

1.3 思考

(1)小球在B處時(shí)受到哪些力作用，什么關(guān)系？

(2)小球在從A到B的運(yùn)動(dòng)過程中受到哪些力作用，什么關(guān)系?此過程中小球的加速度、速度分別如何變化？

(3)小球在從A到B的運(yùn)動(dòng)過程中，哪些力做功，重力勢能、彈性勢能、動(dòng)能分別如何變化？

(4)小球在從B到C的運(yùn)動(dòng)過程中受到哪些力作用，什么關(guān)系?此過程中小球的加速度、速度分別如何變化？

(5)小球在從B到C的運(yùn)動(dòng)過程中，哪些力做功，重力勢能、彈性勢能、動(dòng)能分別如何變化？

1.4 分析

(1)小球在B處時(shí)受到重力、彈簧彈力作用，二力平衡,如圖5所示.

(2)小球在從A到B的運(yùn)動(dòng)過程中受到重力、彈簧彈力作用，重力大于彈簧彈力,如圖6所示，彈簧彈力由零逐漸增大到等于重力，此過程中小球的加速度減小，速度增大.

(3)小球在從A到B的運(yùn)動(dòng)過程中，重力做正功，彈簧彈力做負(fù)功，合外力做正功，重力勢能減少，彈性勢能增加，動(dòng)能增加.

(4)小球在從B到C的運(yùn)動(dòng)過程中受到重力、彈簧彈力作用，重力小于彈簧彈力，如圖7所示，彈簧彈力由等于重力逐漸增大，此過程中小球的加速度增大，速度減小.

圖5在B處受力分析 圖6從A到B受力分析 圖7從B到C受力分析

(5)小球在從B到C的運(yùn)動(dòng)過程中，重力做正功，彈簧彈力做負(fù)功，合外力做負(fù)功，重力勢能減少，彈性勢能增加，動(dòng)能減少.

1.5 說明

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)動(dòng)過程中由于有阻尼作用，小球下落速度最大處應(yīng)在B點(diǎn)上方一點(diǎn).

2 實(shí)驗(yàn)二

2.1 步驟

(1)將金屬球放到彈簧上，用玻璃棒將彈簧壓縮到D點(diǎn)(在B，C兩點(diǎn)間某處)，然后突然抽出玻璃棒，讓小球彈上去，觀察小球的運(yùn)動(dòng)速度等物理量的變化，記下最高點(diǎn)O1，如圖8所示，取出金屬球，用刻度尺量出DO1距離H1.

圖8 用玻璃棒壓金屬球 圖9 用玻璃棒壓塑料球

(2)將塑料球放到彈簧上，用玻璃棒將彈簧壓縮到D點(diǎn)，然后突然抽出玻璃棒，讓小球彈上去，觀察小球的運(yùn)動(dòng)速度等物理量的變化，記下最高點(diǎn)O2,如圖9所示，取出塑料球，用刻度尺量出DO2距離H2.

(3)用天平測出金屬球的質(zhì)量M1，塑料球的質(zhì)量M2.

2.2 現(xiàn)象

將相同的彈簧壓到相同的位置釋放，金屬球彈起的高度小于塑料球彈起的高度.

2.3 思考

(1)小球彈起過程中，加速度、速度如何變化，重力勢能、彈性勢能、動(dòng)能分別如何變化？

(2)兩小球彈起的高度與小球質(zhì)量之間有何定量關(guān)系？

2.4 分析

(1)小球彈起過程中，先做加速度減小的加速運(yùn)動(dòng)，再做加速度增大的減速運(yùn)動(dòng)，離開彈簧后豎直上拋.小球彈起過程中，小球的重力勢能增加，彈簧的彈性勢能減少(小球離開后彈簧彈性勢能為零不變)，小球的動(dòng)能先增加后減少.

(2)在誤差允許的范圍內(nèi)，可以得到M1H1=M2H2.因?yàn)槌跏紶顟B(tài)下彈簧的彈性勢能相同(都到D點(diǎn))，彈起過程中系統(tǒng)機(jī)械能守恒，最高點(diǎn)時(shí)小球的重力勢能也就相同.

*南通市教育科學(xué)研究中心立項(xiàng)課題“重組物理實(shí)驗(yàn)器材，自制物理實(shí)驗(yàn)裝置”,項(xiàng)目編號(hào)：193

徐志平(1970- )，男，中教高級(jí)，主要從事中學(xué)物理教學(xué)及研究.