橡皮筋滞后特性的实验分析

　　1　橡皮筋的滞后特性

　　对于著名的胡克定律,我们都很熟悉,其物理机理实际上就是表明弹簧受到的拉力与伸长量成线性关系,而橡皮筋或劣质弹簧在受到外力拉伸时,拉力与伸长量不是线性关系,下面用实验的方法来验证橡皮筋存在滞后特性.

　　1.1　实验装置

　　在约利弹簧秤安装弹簧处安装1根橡皮筋.选择约利弹簧秤可保证实验测量数据的精确度.

　　1.2　实验结果

　　由于橡皮筋一般会显自然不规则卷曲,在其下端除了挂上挂钩(连小平面镜)和砝码盘外,视情况再加一砝码,使橡皮筋处于伸直状态,然后进行实验测量.

　　首先,在砝码盘中逐步递增砝码,使橡皮筋不断伸长,并逐一记录砝码m和伸长量l,记入表1.

　　其次,在砝码盘中逐步递减砝码,使橡皮筋不断回缩,并逐一记录砝码m和伸长量l,记入表2.

　　根据表1和表2数据进行作图,可以得到如图1所示的滞后曲线.

　　1.3　实验分析

　　图1下方曲线为增加拉力对应的伸长量变化,上方曲线为减少拉力对应的伸长量.图1表明橡皮筋存在着明显的滞后特性,相同的拉力对应着2个伸长量.

　　图1中的2条曲线所包围的面积代表了在加减砝码这一周期中损失的能量,一般称为内耗ΔW,它在橡皮筋拉伸过程中,内部结构的相互摩擦错动而转化为热能散失在空气中.很多材料都存在着滞后与微观不可逆性,橡皮筋内在拉伸过程中也产生了不可恢复的变化.

　　从图1中还可看出,随着砝码的增加,单位伸长量在变化,当砝码加大到一定程度后,单位伸长量越来越小,伸长量趋于极限值,从能量角度来分析,它代表的物理意义是橡皮筋伸长到一定长度时,伸长变化量逐渐变小,导致摩擦散热减小,单位内耗也随之减小.

　　2　实验延伸意义

　　2.1　橡皮筋不能做测力计

　　一些中学物理实验教学参考书中提出用橡皮筋代替弹簧来做测力计,通过上述实验及分析可以得出结论:这种做法是非常粗糙的,不科学.

　　2.2　用此方法检验弹簧的使用状况

　　在物理实验过程中,经常使用弹簧,但在操作过程中,很容易使弹簧超负荷使用,即超过其弹性限度.有时,个别学生也会有意无意地随手拉伸、扭曲弹簧,使弹簧局部受损(局部不能回复).使用这样的弹簧会使实验数据产生比较大的误差.其原因就是弹簧由原先遵循胡克定律变化到伸长量不随拉力成线性变化,使弹簧的劲度系数发生改变.

　　因此,用上述实验的方法就可以检验正在使用的弹簧是否失效.这对提高实验测量数据的精确度是非常有意义的.

　　本文作者：赵雪政,胡祥青