考虑弹簧质量的弹簧振子的周期怎么测量?

近日,笔者的中原名师高中物理工作室来了一位助手,是一位来自河南师范大学的实习生韩博纬,学校安排他跟着笔者听课实习,顺便协助笔者做做研究。

报到的第一天,打扫工作室的卫生,熟悉工作室内容,协助笔者完成一个创新实验。

笔者此次的实验是利用智能手机巧测弹簧的劲度系数。

众所周知,实验室里的弹簧上面都是不标注劲度系数的,而测量弹簧劲度系数的传统实验是使用钩码和刻度尺,这种测量方式步骤繁琐,而且精度不高。

此次,笔者和助手使用一台智能手机和一个钩码,十分简便但十分精准地测出了弹簧的劲度系数。


将轻弹簧竖直悬挂起来,下端挂上一个钩码,将手机放置在钩码的下方,让钩码的平衡位置略高出手机2厘米至3厘米;调节手机的位置,让手机的左上角与钩码的中心上下对齐。

打开智能手机中加载的Phyphox(手机物理工坊)APP,选择“磁力计”实验样例,使磁力计处于工作状态;然后让钩码上下振动,磁力计就能侦测到钩码上下振动引发的空间磁场变化,绘制出空间磁场随时间的变化关系图像。

钩码振动一段时间后,停止实验,将磁场曲线展成全屏,选择“选取数据”按钮,用手指从第0个尖峰滑向第10个尖峰,测量10个周期对应的时间,然后计算出钩码振动的时间。在此次实验中,测得钩码的振动周期为0.572秒。

由于磁力计的采样频率为100赫兹,时间测量可以精确到0.01秒;由于测得的时间是10个周期,所以周期的测量精度可以达到0.001秒。

由于钩码质量为200克,由弹簧振子周期公式可得,该弹簧的劲度系数为24.132N/m。

需要指出的是,磁力计绘制出的图像是磁场的周期变化图像,而不是钩码的振动位移图像;两者的周期相同,可以用测得的磁场变化周期作为振动周期。

这种利用智能手机测量弹簧劲度系数的方法,简单、简便、精度高,易学、易用、易推广。

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