探究弹簧弹力与形变量的关系的实验是理想化实验吗？
2024-11-19 阅读 19
更新于 2024年11月21日
回答是：“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验，弹簧竖直悬挂，本身重力影响不可避免，所以悬挂在铁架台时测得‘原长’不是实际原长。
但不能说是“理想化实验”，严格实验需要进行误差矫正。
一、弹簧测力计的校准
任何一个测量仪器使用前都要进行校准。弹簧测力计的校准应该分两步，一是无负载的校准，即校准零点，对于零点校准，教科书都有明确的说明。
例如，北京师范大学出版社出版的《物理》（八年级下）中写道："在使用弹簧测力计时，第一，应观察测力计的指针是否与零刻度线对齐，若没有对齐，要进行调整或记下零点误差。"二是有负载的校准，即在校准零点之后，在测力计的弯钩下面挂上重力已知的砝码，观察测力计的指针是否指在相应的刻度处。
弹簧的基本性质是它的弹力 F 与形变量x成正比，即F=kx，其比值k 称为劲度系数，它的物理意义是表示该弹簧形变量为单位长度时弹力的大小，单位是N/m。k值的倒数则表示该弹簧产生的弹力为单位数值时弹簧伸长或缩短的长度，单位是m/N。弹簧测力计的刻度就是k值的倒数的反映。因此，有负载校准实质上就是校准弹簧的k值。弹簧的k 值是由弹簧本身的性质决定的，刻度盘也是生产厂家在出厂前刻上去的，一般来说，它应该没有问题（因此初中物理教科书中没有强调有负载校准）。但在下面两种情况下弹簧的k值仍有可能发生变化：一是弹簧使用时间太久，会产生"弹性疲劳",从而k 值发生改变；二是有些厂家生产的弹簧测力计工艺粗糙，例如，有一种测力计，连杆与弹簧末端并未固定，而是通过一个三角形铁片挂在弹簧上的，这样它很容易移动位置，从而弹簧的有效匝数就会发生变化，其k值也就随之变化了。对于这种测力计，有负载校准就特别重要，如果发现k 值变化了，可以调整弹簧的有效匝数，而对于由于弹性疲劳引起的k值变化，则只有通过重画刻度来修正。
二、认识不同弹簧的F-x图象
把弹簧放在水平光滑的桌面上，水平方向不受外力作用，左端固定，右端为O点。沿水平向右方向建立直线坐标系Ox，如下图。
其右端所受拉力F 与弹簧右端点位置x的关系有图8所示的几种可能：
其中（3）为有预应力弹簧，简称有应力弹簧，它不受外力时，各匝紧密排列（密绕）并且相互间有向里收缩的应力。这种弹簧一般不适合制作测力计，而且它的制作工艺较复杂，成本较高，中学实验室中没有使用这种弹簧制作的测力计，因此不在我们下面的讨论之列。
(2）称为密绕无预应力弹簧，它的F-x图象是只位于第一象限的正比例图线。
(1）与（2）的区别在于它不是密绕，因此既可伸长又可缩短，它最适合制作测力计。
如果下图所示的测力计是由上述第（2）种弹簧制作的，并且在它水平放置时校准了零点位置，即让指针恰好指在零刻度线处。
用手握着上面的圆环，使弹簧轴线沿竖直方向，下面的弯钩不受力时，由于弹簧本身及下面的连接杆和弯钩的重量，弹簧比水平放置时要伸长△L，如上图所示，这时指针的位置比零刻度线位置要稍低一点，它指示的数值等于弹簧本身及连接杆和弯钩的总重量mg(△l=mg/k)，但由于弹簧的k值没有发生变化，只要把指针位置调整到零刻线处，就可正常使用。
如果手握着上面弹簧测力计的外壳把它倒转过来，即使弯钩向上而圆环向下，如下图所示，
由于弹簧本身及连接杆和弯钩的重量，弹簧应该比水平放置时要缩短一些，缩短的长度也应等于△L,但由于弹簧是密绕的，无法缩短，指针仍然指在零刻线位置。这样使用时，作用在弯钩上且方向向上的拉力在小于 mg 时，弹簧不发生形变，指针的位置不动，当拉力大于 mg 时，弹簧伸长，指针所指的位置比实际拉力的数值F要小，这就出现了误差，但由于k值不变，在以后各次测量中，该误差的数值不变，这个误差也可以称为"零点误差"（可以认为真正的零位置应该在下图所示的刻度盘零位置的下方mg处）。
