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介绍

你是否曾玩过机灵鬼(Slinky)被用在弹球机上,按动圆珠笔或是装在车上的一种玩具?如果你玩过,那么你就曾利用过弹簧!弹簧被用在无处不在的机器中,而且大有用途。本次活动你将学到另一种很酷的弹簧使用方法:做一个量物体重量的称。

背景

弹簧通常是螺旋状的铁制物。他们有实用性能,伸展性好,科学术语称之为“弹性”。如果你压缩获是拉伸弹簧,然后松手,弹簧就会变回原来的样子。然而他们的弹性是有限度的。如果你拉(或推)得过度,可能就会超过弹簧的弹性范围。之后就会产生永久性变化或是毁坏弹性。而且弹簧就不会完全的恢复到原始状态。

第 1 段(可获 1.93 积分)

幸运的是,弹簧的弹性是由一个叫做“胡克定律”的著名等式定义的。胡克定律阐述,弹簧的恢复力(弹簧被拉或推后回到原始状态的困难程度)与弹簧从原始状态被拉伸(或压缩)的长度成比例。这个定律的数学公式如是:F=kx,F表示的是压力,x表示的是弹簧改变的程度,k是一个值叫做弹簧常数是由弹不同弹簧,不同尺寸,不同材质而决定的。给定一个弹簧,k值在弹性范围内是不变的。基于此,胡克定律很实用。因为如果你测量了无论是力或是形变,你就能用弹簧常数算出另一个。

第 2 段(可获 1.8 积分)

你想到的称或许是那种把东西立在或放在上边称其质量。但是你也可以把称提起来称,通过下拉来测质量。以此为目的,你将通过使用弹簧吊起重物来将制作一个简易的弹簧秤。首先,你须用已知重量校准刻度,但是吊起物体测量完未知重量的物体后,要测量一下弹簧的形变值。

材料

  • 一个弹簧(你可以去五金商店去找合适的,也可以拆开按动笔或是玩具,当然是在得到允许的情况下。必要的话,让成年人帮你拆开笔或是玩具。)
  • 回形针
  • 小的塑料水桶或是纸杯塑料杯,用绳子在顶部穿个洞通过,做一个把手
  • 用于测量的物体,例如硬币(物体的重量取决于所使用弹簧的结实度)
  • 厨房天平
  • 格尺
  • 纸,铅笔或钢笔
  • 不同的小型家庭用品以用来测量。
第 3 段(可获 2.39 积分)

实验过程

  • 用手去感受你的弹簧是多么的强大。把它压缩有多困难?要把它拉出来有多困难?小心点,不要太用力推动或拉动它,注意不要到达弹簧的弹性极限使其永久变形,这应该给了你一个很好的想法——重量值应该保持多少。
  • 垂直放置弹簧,用一个回形针将第二个回形针的底部钩住弹簧的第二个线圈(你可能想把回形针底部弯曲一点,以使它更容易钩弹簧。)如果可用的话,你可以用你的手——或钩子拿着回形针。
  • 用尺子来测量弹簧的长度,不计弹簧重量。写下这次的数据。
  • 现在,用第二个曲别针缠上倒数第二个线圈,从弹簧底部悬挂桶或杯子。
  • 在桶或杯子里增加一些重量(如硬币)。增加足够的重量,弹簧伸长出一点,你可以测量这个长度的变化。确切地说,你需要看到长度增加多少取决于你的弹簧。不过要小心的是不要添加太多的重量以防止拉伸到弹簧的弹性极限,使其永久变形。当你增加重量时,弹簧会怎么样?
  • 测量弹簧的新长度,并将此数字写下来。
  • 从弹簧上取出桶或杯子,并称其重量,包括使用厨房秤测量的重量。把这个数字写在你刚刚测量的数据旁边。
  • 重复这个过程,并添加更多不同重量的桶或杯子。写下新的弹簧长度和新的重量值。
  • 多重复测量几次,直到你多有几个数据值。小心不要增加太多的重量及拉伸到弹簧的弹性极限。当你保持重量不变时,距离会发生什么变化?
  • 现在,尝试不使用厨房秤称出另一个物体的重量。你能用你刚才做的实验里的数据吗?
  • 把物体挂在你的弹簧上,测量弹簧的伸展程度。然后,将这个距离与你在实验过程中记录的距离相比较,并查找相应的重量。(如果你有一个图表的话会更容易;详情见下面的”此外“说明,)下面的实验物体有多少是根据你的数据得来的?现在用厨房秤测量它——和你的距离有多近?
  • 与几个更多的实验对象重复这个过程,看看你用厨房秤测量的弹簧数据,并比较权重。如何校准是你的测量数据?如果它足够准确,也许你可以在厨房或其他活动的保持使用它的数据!
  • 此外: 做一个数据图表,X轴表示距离,Y轴表示重量。这将使其更容易确定其他物体的重量。你的图表是直线吗?
  • 此外: 利用胡克定律和数据可以计算出弹力系数k吗?提示:k是图中力与距离的斜率。
  • 此外: 如果你拉到弹簧的弹性极限,能否继续进行实验呢?
  • 此外: 你能找出如何做同样的实验需要去推弹簧(压缩力)而不是拉着它(张力)吗?提示:这可能是困难的,因为弹簧会变形或突然弯曲一半。你可以通过约束弹簧的运动(如把它放在笔或其他圆筒状物体里)来防止这种现象。
第 4 段(可获 8.29 积分)

观察与结果

鉴于你所称的重量和形变是多少取决于弹簧自身, 通常情况下,你应该观察到任何弹簧符合胡克定律的前提是要弹性范围以内。这意味着重量和形变呈线性关系——如果让重量加倍,那么弹簧拉伸形变也会加倍。例如,你的弹簧不拉伸的原始长度为10厘米,当你加上一个适当的重量,拉伸距后长度为11厘米(未拉伸状态下改变一厘米)。当你把重量加倍,弹簧就会拉伸12厘米(未拉伸状态下改变两厘米)。

第 5 段(可获 1.39 积分)

一旦你收集了一些关键数据点,就可以仅仅通过尺子测量弹簧的长度变化后,“查看”一个新物体的重量。这是真正的弹簧秤的工作原理——弹簧校准后,当弹簧受到一定的拉伸时,它会对应于一个已知的重量。然而,如果你拉伸弹簧超出其弹性限度,那么弹簧秤就会失效。因为那将导致弹簧秤的形状发生一些永久性的变化,它不再会恢复到它原来的长度,所有你的测量不再有效。

第 6 段(可获 1.26 积分)

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