胡克定律:小弹簧蕴涵大道理

小时候,你用钢丝卷过弹簧吗?做成的弹簧可以拉伸又可以压缩,很好玩。在实际生活中我们可以见到各种弹簧,如圆珠笔杆内装的弹簧、弹簧秤上的弹簧、自行车车闸和鞍座上的弹簧、沙发床和沙发椅上的弹簧等。

弹簧具有怎样的性质呢?为了研究问题方便,我们假定弹簧很轻很轻(不考虑弹簧自身的质量),并且形变后,如果撤去外力能够完全恢复到原来的状态。弹簧在外力作用下形变,施加拉力时弹簧变长,出现拉伸形变;施加压力时弹簧变短,出现压缩形变;无论是哪种形变,都属于弹性形变。

发生弹性形变时弹簧要对应产生弹力(弹力的大小与所加的外力大小相等),弹力大小与弹簧的形变量存在怎样的关系呢?我们取某一弹簧做实验,施加在弹簧上的力和形变量分别为:

给弹簧施加1牛顿的力,弹簧的形变量是0.2厘米;

给弹簧施加2牛顿的力,弹簧的形变量是0.4厘米;

给弹簧施加3牛顿的力,弹簧的形变量是0.6厘米;

……

我们发现施加的外力越大,弹簧发生的形变也就越大,而且,该弹簧每增加1厘米的形变,对应增加的弹力总是5牛顿,是一个不变的值。

显然,这种关系是由弹簧自身的性质所决定的,与所加外力的大小无关。这说明弹簧的弹力大小与对应发生的形变量的大小成正比,换用其他弹簧做实验仍得出同样的结论。早在1676年,英国物理学家胡克做了大量的实验发现了这一规律。

根据弹簧的特性,人们制成了弹簧秤,可以用来称量物体的重力。现实生活中弹簧都有一定的弹性限度(发生最大弹性形变时所对应的弹力大小),在弹性限度以内弹力与对应发生的形变才满足正比关系。

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弹簧可以储存能量

弹簧还有另一个重要特性,它可以储存能量。把重物挂在弹簧上使其上下振动,振动过程中弹簧长度不断变化,当重物到达最低点时弹簧被拉得最长,此刻重物的动能等于零,根据能量转化和守恒定律可知,弹簧以弹性势能的形式储存了能量。在振动过程中重物克服弹簧的弹力做功,就把动能转化为弹簧的弹性势能;弹簧的弹力做功时弹簧又可以将储存的弹性势能转化为物体的动能。

 

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