竖直弹簧振子演示

实验目的

认识竖直弹簧振子的平衡位置,理解其运动仍是简谐运动。

实验原理

平衡时 kx0 = mg,此处为平衡位置,弹簧已伸长 x0。以平衡位置为原点,位移为 x 时,合力 F = mg - k(x0 + x) = -kx,所以回复力满足 F = -kx,是简谐运动。运动中动能、重力势能、弹性势能相互转化,总机械能守恒。

实验器材

• 弹簧
• 小球(振子)
• 支架
• 弹簧原长位置(观察对象)
• 平衡位置(观察对象)

实验步骤

1. 观察弹簧原长时的位置。
2. 挂上小球,观察静止时的平衡位置,比较它与原长位置。
3. 把小球向下拉一段距离后释放,观察上下振动。
4. 观察最高点、平衡位置、最低点的速度和加速度。
5. 观察动能、重力势能和弹性势能的变化。

实验现象与结论

小球在平衡位置附近上下做简谐运动,平衡位置在弹簧原长位置下方。经过平衡位置时速度最大,最高点和最低点速度为零、加速度最大。三种能量相互转化,总机械能不变。

注意事项

• 弹簧不要拉得过长,以免超出弹性限度。

常见问题

竖直弹簧振子的平衡位置在哪里?

在重力与弹力相等处,即 kx0 = mg,位于弹簧原长位置下方 x0 处。

竖直弹簧振子的回复力是重力吗?

不是单独某个力。回复力是重力与弹力的合力,以平衡位置为原点时,F = -kx。