Экспериментальное исследование силы упругости. Для формирования у учащихся представлений о силе как векторной физической величине на первом этапе изучения физики недостаточно абстрактного словесного определения понятия силы. Нужны наглядные демонстрации действий сил, понятные способы измерения сил. Наглядные представления о силе как векторной физической величине формируются при ознакомлении с силой упругости и с приборами для измерения сил, использование которых основано на свойствах силы упругости. Эти пояснения даны для того, чтобы учитель понимал, что главная цель изучения силы упругости на этом этапе изучения физики заключается не в изучении природы силы упругости (учащиеся еще незнакомы с взаимодействиями электрических зарядов, не знают устройства атомов), а в ознакомлении с практическими способами измерения сил. Поэтому и предлагается простое экспериментальное задание «Исследование зависимости удлинения стальной пружины от приложенной силы». Если в комплекте оборудования физического кабинета нет комплекта пружин на весь класс, то можно выполнить такой эксперимент коллективно, используя только одну пружину. Способ коллективного выполнения экспериментального исследования описан в § 5. Если нет такой пружины, можно использовать для эксперимента пружину динамометра.
По результатам измерений строят график зависимости удлинения пружины от приложенной силы (рис. 25). Из графика видно, что все экспериментальные точки лежат на одной прямой, следовательно, удлинение пружины прямо пропорционально приложенной силе.
Рис. 25
Кроме эксперимента с растяжением пружины с помощью подвешиваемых грузов, полезно дать возможность учащимся прямого мышечного ощущения силы в 1 Н, действующей на ладонь со стороны груза массой 100 г. Особого обсуждения заслуживает экспериментальное задание 12.2 «Исследование зависимости удлинения резины от приложенной силы». Пример результата выполнения такого эксперимента представлен в таблице 2.
По этим результатам построен график зависимости удлинения резины от приложенной силы (рис. 26). На этом графике черной ломаной линией представлены результаты измерений удлинения резины при ступенчатом увеличении приложенной силы (серия 1), а серой — результаты измерений при ступенчатом уменьшении приложенной силы (серия 2).
Рис. 26
Учащемуся, впервые приступившему к экспериментальным исследованиям, может показаться, что различие между графиком для стальной пружины (см. рис. 25) и черной линией для резины (см. рис. 26) может быть оценено как не очень существенное. Поэтому нужно научить учащихся читать графики, видеть смысл полученных результатов с одного взгляда на график. Что же можно прочитать на этих графиках? Первый важный результат — отсутствие прямой пропорциональной зависимости между приложенной силой и удлинением резины. Это наглядно можно продемонстрировать, продолжив отрезок прямой, соединяющий первую и вторую точки графика. В случае прямой пропорциональной зависимости на этой штриховой жирной линии (см. рис. 26) должны лежать все остальные экспериментально полученные точки. Однако это не так. Последняя точка экспериментально полученного графика лежит в 2 раза выше, чем она лежала бы при прямой пропорциональности удлинения приложенной силы в соответствии с первым этапом растяжения. Значит, график не следует истолковывать как график почти прямой пропорциональной зависимости удлинения от силы. Второй важный результат — при уменьшении силы растяжения наблюдается не только отсутствие прямой пропорциональной зависимости удлинения от силы (штриховая светлая линия), но и несовпадение результатов измерений при увеличении и уменьшении силы растяжения. Это значит, что динамометр с резиновой полосой или резиновым шнуром давал бы различные показания при действии одинаковой силы в зависимости от того, была резина растянута (и на сколько) или не была растянута. Поэтому подобные устройства не следует использовать как измерительные приборы. На этом этапе можно задать учащимся вопрос: почему стальная пружина может использоваться в приборах для измерения сил?
