弹簧测力计的原理初中(弹簧的伸长量与拉力的关系)

今天我们要讲的是弹簧测力计原理


弹簧的伸长量与拉力的关系

7.2「弹力」知识模型03:弹簧测力计原理

如图,是弯弓射箭的图片,关于这个图片同学们应该能知道的事情是:

  • 手给弓弦的拉力和弓弦给手的拉力是一对相互作用力
  • 两个力都是弹力:物体由于弹性形变而产生的力
  • 手给弓弦的拉力越大,弓弦弯曲的越厉害,同时手所感到的弓弦拉力就越大。
  • 又如下图的弹簧:
7.2「弹力」知识模型03:弹簧测力计原理

在没有给弹簧施加拉力的时候,弹簧有一个自然长度,我们叫做原长;当给弹簧一个拉力之后,弹簧伸长了,最后伸长到一个新的长度,叫做总长度,包括伸长的长度,一共有三个长度,即:

  • 原长
  • 伸长
  • 总长度

如果我们给弹簧的拉力越大,上面三个长度哪个会变化呢?

很明显,除了原长不会变以外,伸长和总长度都会变化,看来伸长和总长度与拉力的大小有一定关系。

下面是研究弹簧伸长、总长度随着拉力变化的探究实验,我们一起来看一下吧!

7.2「弹力」知识模型03:弹簧测力计原理

这次实验的研究目的是“探究弹簧的长度L与拉力F的关系”。

在这里,我们一定要弄清他所研究的是哪个长度:原长?伸长?总长?

这就要从数据的分析入手了。

7.2「弹力」知识模型03:弹簧测力计原理

首先,从数据中我们看到,在最开始拉力为0N的时候,弹簧的长度已经是8cm,这说明什么?

这说明这8cm是弹簧的原长,它是不会随着拉力的变化而变化的,所以可以排除“探究原长随拉力的变化规律”这种可能性了。

其次,在初中的数量关系中,我们只学习正比关系,如ρ=m/v。

所谓正比,就是两个物理量的比值是一个定值,如密度就是这样一个物理量:同一种物质的密度,其质量与体积的比值就是一个定值,且不随着质量、体积的变化而变化。

同理,如果弹簧长度与拉力存在数量关系的话,也不会跑出初中教材的认知范畴,即L/F应该是一个定值,抛出第一列的(0N,8cm)的数据,我们看看后面的数据是否符合正比规律:

  • 12/2=6
  • 14/3=4.67
  • 18/5=3.6
  • 20/6=3.33

从上面的计算结果可以看出来,弹簧的长度L与拉力F没有这种关系,因为这个长度是总长,而总长包括了一个不变量原长和一个变化量伸长,我们需要把不变量抠出,再去看规律。

最后,我们来看一看伸长与拉力的关系吧!

  • (12-8)/2=2
  • (14-8)/3=2
  • (18-8)/5=2
  • (20-8)/6=2

就是这个了,三个长度中,只有伸长与拉来存在正比关系,绘制成图像如图:

7.2「弹力」知识模型03:弹簧测力计原理

如果考虑弹簧的原长,我们也可以绘制出如下图像

7.2「弹力」知识模型03:弹簧测力计原理

对于这个图像,我们需要注意两件事情:

  • 图像起点不在原点,因为最开始的拉力为0N,而弹簧的长度却不是0cm,而是8cm。
  • 在比较伸长与拉力的关系时,要先减去原长在进行计算比较

弹簧伸长量与拉力成正比的前提

虽然弹簧伸长量与拉力成正比,但是这也是有前提的:就是不能超出弹簧的弹性限度,否则弹簧将从弹性形变变成塑性形变,之后就不是正比关系了,这个同学们需要注意一下。

弹簧测力计的原理

利用“伸长量与拉力的关系”,我们可以通过测定弹簧的伸长量,来测量拉力的大小,也就是做成弹簧测力计,其原理是:

在弹性限度内,弹簧受到的拉力 越大,弹簧的伸长量就越长

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