用橡皮筋制简易测力计的探究活动

用橡皮筋制简易测力计的探究活动

摘要：用橡皮筋制作的测力计，其测量结果和真实值出入很大，给同学们在物理仪器的制作和使用过程中带来了困惑。通过探究活动，找出原因，对胡克定律有更加深入的理解，同时体验科学探究的过程、树立科学态度和提高科学研究的兴趣。

关键词：科学探究；橡皮筋；测力计；胡克定律

在初中物理学习过程中，测力计使用很广泛。为了让学生参与学习的过程、培养动手、动脑的习惯，达到培养学生能力的目的，在初中物理教科书中提出，让学生自制简易橡皮筋测力计。橡皮筋是很易取的材料，制作过程也不是很难，完全可以在现有的条件下制作完成，可是在制作的过程中发现一些问题却并不简单，有必要认真探究一下。

一、提出问题及猜想

初中物理课本上关于力的章节中介绍了弹簧测力计的原理是：弹簧的伸长与所受的外力成正比，据这样的描述，橡皮筋也具有类似的性质，由此推出：能否用生活中常见的橡皮筋来制作测力计呢？

甲：不能，因为实验室里没有用橡皮筋制成的测力计。

乙：可以，弹簧的伸长和所受的外力成正比，橡皮筋也

有这样的特性。

丙：橡皮筋的伸长和所受的拉力可能不是成正比的关系。

二、制订计划与设计实验

据前面的讨论，这次探究活动不仅仅是制作一个简单的

测力计，而同时要考虑以下的几个问题：分析橡皮筋的特性；做成的测力计如何刻上刻度，它的刻度是不是均匀的等。

同学们选出本实验所需的器材：木板、橡皮筋、直尺、

钩码和辅助分析的工具计算机。橡皮筋在自然状态下，是没

有完全伸直的，所以在进行实验时，应当给橡皮筋挂一初始

重物，以达到伸直的目的，但是不要把橡皮筋拉长了，因此

在配重时应根据不同的橡皮筋选取相应的重物。所需要测量

的数据项有：外力F，橡皮筋伸长量L，本实验做三组对比实验，制作出如下表头样式：次数、外力（F/N×0.0098）、橡皮筋1（L/cm）、橡皮筋2（L/cm）、橡皮筋3（L/cm）。

三、进行实验与收集证据

在这个环节中能检验学生对理论知识和基本技能的掌

握与运用，能培养学生的观察能力和信息收集能力，应放手

让学生去操作、观察、体验、思考。

通过测量，选取其中三组数据，实验次数20次，力从零开始，以50克增量递增到450，再减少到零。对应橡皮筋长度为（单位CM）。L1：3.50，4.10，4.35，4.90，5.75，

6.95，8.05，9.25，10.20，11.20，10.90，10.30，9.50，8.30，

6.90，5.85，5.00，4.30，3.7。L2：3.80，4.30，4.80，5.4，6.35，

7.60，8.80，10.00，12.00，12.00，11.70，11.00，10.20，

8.90，7.20，6.10，5.20，4.50，4.10。L3：4.10，4.40，4.95，

5.70，

6.90，8.20，9.50，10.70，11.70，12.90，12.90，12.50，

12.10，10.90，9.40，7.90，6.50，6.35，4.65，4.20。

四、分析与论证

在本实验中对数据进行分析时，借助计算机会更加方便。

本图是利用EXCEL的图表功能“XY散点图”自动得出的橡皮

筋的伸长和所受外力的关系图。

由图4－1可以看出：（1）虽然橡皮筋所受外力越大，

伸长越长，但从图形上可以看出它不是一条直线，说明这两

者不是线性关系；（2）同一根橡皮筋受到相同的外力，在增

加和减小的情况下，橡皮筋的伸长和缩短是不一样的；（3）同一根橡皮筋在几次实验中，即使受到的外力相同，但是其

长度却越来越长。

那么橡皮筋为什么有这样的性质呢？通过引导学生查

阅相关的资料发现：如果将X在某一变化范围内变化一个周期，由Y对X作图得到一个封闭的曲线，这个曲线称为滞后

回线，许多材料都存在滞后现象，看上面的图力F和橡皮筋的伸长L就构成了一个封闭的曲线，很明显橡皮筋有明显的

滞后现象，同样一个外力对应着两个橡皮筋的伸长值。说明

橡皮筋所受的外力和伸长量不是线性关系，橡皮筋并不完全

遵从胡克定律，用橡皮筋做测力计严格来说是不正确的。

五、交流与总结

由以上几步工作总结出：（1）橡皮筋的伸长和所受的外力不是线性关系，所以制成的测力计的刻度是不均匀的，必

须按实际的测量来对应画刻度线。（2）橡皮筋的伸长和缩短的过程是有迟滞现象的，既使用实际的测量来画刻度线，在

以后的测量中得出的测量值也不是很准确的。 3.当橡皮筋所受外力达到一定值时，外力等量增加而橡皮筋的伸长却越来

越短。4.橡皮筋在拉伸的过程中发生了不可恢复的变化，即

第一次和第二次拉伸时力与伸长量成不同的关系，由胡克定

律F=kx可知，对于橡皮筋其k值不是个常数。

通过本实验，学生体验了制作过程，也更加理解了测力

计的原理，不但体验了科学探究，也认识到通过探究能更深

入地理解事物的本质特性和科学实质。

参考文献：

[1]义务教育物理课程标准.

[2]义务教育课程标准教科书物理（八年级）[M].上海科学技术出版社，2006，（6）.