胡克和胡克定律

在牛顿时代,英国还有一位著名的物理学家,名叫胡克.他生于1635年7月18日,1653年进入牛津大学读书,师从著名学者波义耳,后成为波义耳实验室的助手,在实验室工作时期发明了空气唧筒.1662年胡克被委派到伦敦皇家学会掌管实验,1663年成为英国皇家学会会员.1678年胡克以气体分子不断碰撞容器壁的结果,解释了压强的由来.在这一期间,他还发明了显微镜和望远镜,并且改进了天文观测计时用的摆.他的大量实验成果为材料力学和弹性力学奠定了基础.

现在人们都知道万有引力的规律是由牛顿发现的,其实,胡克在其中也起了一定的作用.1661年英国皇家学会成立了一个专门委员会,专门研究重力问题,当时胡克就从事这项工作.他已经觉察到引力和重力有同样的本质,他曾和助手们在山顶和矿井下进行实验,企***测定重力随地心的距离变化的关系,但未能成功.

1674年,胡克在一次演讲中提出,引力会随距离变化,“一旦知道了这一关系,天文学家就很容易解决天体运动的规律了”.1680年初,在给牛顿的信中,胡克提出了引力反比于距离平方的猜测.

1684年,在胡克、论恩、哈雷等人的一次聚会中,又重提引力问题.论恩为此拿出一笔奖金,胡克声言他已解决了这一问题,但不肯立即公布它的证明.哈雷于1684年8月从伦敦专程到剑桥大学向牛顿请教,牛顿说他早已完成了这一证明,但当时没有找到这份手稿.在这一年的年底,牛顿重新作出证明寄给哈雷.在哈雷的热情劝告和资助下,1687年出版了牛顿的名著《自然哲学的数学原理》,公布了他力学研究的全部成果.该书的出版标志着经典力学体系的建立.

现在,胡克留给后人影响最大的还是著名的胡克定律:在一定限度内,弹簧的伸长与它所受到的拉力成正比,即F=kX,其中F代表弹簧所受到的拉力,X代表弹簧的伸长量,k被称为倔强系数.k的大小与弹簧本身的材料、匝数、横截面积有关.对于某一确定的弹簧而言,k值是确定的.这一定律的发现直接导致了弹簧测力计――测量力的基本工具的诞生,并且直到今天的物理实验室还在广泛使用.当年,胡克在研究弹力时做了大量的实验,他不仅研究了弹簧伸长和缩短时遵循的规律,而且研究了扭转形变、弯曲形变时遵循的规律.

胡克定律是物理规律和数学公式的完美结合.在各类考试中也经常有这类题目.请同学们看看下面的两道题.

例1实验室中的一个弹簧测力计因弹簧断裂而损坏,小明就去掉断裂的一小段弹簧,将剩余较长一段弹簧重新安装好,并校准了零刻度.那么用这个修复的弹簧测力计测量时,测量值与原来测量值相比较,结果是().

A.测量值比原来的测量值大

B.测量值比原来的测量值小

C.与原来测量结果一致

D.以上三种情况都可能出现

解析弹簧受力时,各部分都均匀伸长,在忽略弹簧的自重下,可认为各部分的弹力相同.设想将整个弹簧分成等长的n段,如果弹簧总的伸长量为X,弹力为F,那么每一段伸长量为X/n,每一段产生的弹力大小也是F.弹簧剪短后,仍分成等长n段,如果弹簧总伸长量仍为X,则其余每一段伸长量为X/n.但剪短后每一段自然长度均小于未剪之前,在总伸长度相同的条件下,剪短后的每一段产生的弹力要大.也就是说,剪短后的弹簧与原来较长的弹簧相比较,使它们伸长相同的长度X,对较短的弹簧的拉力大于F.由上分析,用修复的弹簧测力计测量时,测量值小于原来测量值.本题答案应选B.

例2小浩制作了一个弹簧测力计如左***所示,弹簧一共20匝,经检验,该弹簧测力计在测量范围内(0~5N)示数是准确的.该弹簧不但“伸长的长度跟所受的拉力成正比”,而且弹簧受拉力伸长时,各匝伸长的长度都相等.有一次不慎把弹簧靠近O端的一小部分挤压变形,小浩把变形的3匝剪去,并把弹簧上端重新固定在O点,然后把指针C适当向下移动,使它在弹簧测力计竖直放置时指针仍然指在“0”刻度线处.(1)写出这个新改制弹簧测力计受到的拉力F与它的示数F测的关系式,并说明理由;(2)用这个新改制的弹簧测力计称量一个重物,它的示数为4N,该物体实际重是多少?

解析(1)对于一定的拉力F,不管弹簧是否剪断,每匝的伸长量是相同的.但本题中剪断后的弹簧只有17匝,所以它的伸长量只有原来的17/20倍,而弹簧刻度的示数不变,所以示数F测与实际拉力的关系为F测=17F/20,即F=20F测17≈1.18F测;(2)已知F测=4N,将它代入F=1.18F测,可得F=1.18×4N=4.72N,所以该物体的实际重为4.72N.

如果同学们对上面两个问题都搞清楚的话,可以尝试研究下面一道题目的求解方法.

练习一轻质弹簧原长为12cm,上端固定,下端挂2N重物时,这时弹簧的长度变成18cm.设想将该弹簧剪断1/3,较长段下端再挂2N重物时,这根弹簧的长度将是多少厘米?(答案:12cm)

总体而言,初中物理新课程标准对这一部分的要求并不是太高,同学们如果能够利用课余时间,自制一个弹簧测力计加以研究,相信你一定会有许多新的发现和收获.

注:本文中所涉及到的***表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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