形变的弹簧与弹力的联系

同学们玩过弹弓吧，要怎样做才能将纸团或石子弹得更远呢?若要搞清楚这个问题，我们必须研究形变与弹力的关系。

一、物体的形变

生活中的很多物品，如弹簧、橡皮筋、橡皮泥、气球等，在受到外力作用时，其形状或体积都要发生变化，物理学上把物体形状或体积的改变叫做形变。同学们可以亲身体验一下生活中的很多物品的形变现象，就会发现它们的形变情况是不同的。一类像弹簧、橡皮筋、钢锯条那样，在撤去外力后物体能完全恢复原状，物理学上把这类形变叫做弹性形变；另一类像橡皮泥、塑料袋那样，在撤去外力后物体不能完全恢复原状，物理学上把这类形变叫做范性形变。也叫塑性形变。如果是对玻璃、石头、钢铁之类的坚硬物体施加力的作用，它们是否也会产生形变呢?用手压桌面。桌面是否发生形变?

下面介绍一个有趣的小实验：显示“桌面的微小形变”(如图1)。把一块平面镜放在桌面上，用一支激光笔照射镜面，使反射光照在墙壁上。请另一位同学用力压桌面，其他同学注意墙壁上的光点。将会看到“光点移动”的现象，光点移动说明反射光线的方向发生了变化，而入射光线方向不变，则一定是镜面位置发生了变化，那么说明桌面发生了形变。其实，一切物体在力的作用下都会发生形变。弹簧若受到拉力作用时会发生拉伸形变；若受到压力作用时则会发生压缩形变。

二、弹力

1　弹力及弹力的产生

物体受力后会发生形变，那么形变后的物体对与它接触的物体又会有什么样的作用呢?当拉长弹簧或压缩弹簧时，我们很容易感觉到手有紧张感，感觉手被拉或被压。产生这种感觉的原因是形变的弹簧对手有力的作用。弯曲的钢尺能把硬币弹起一定高度。这表明弯曲的钢尺对硬币产生向上的力的作用。而橡皮泥发生范性形变，我们则感受不到力。物体发生弹性形变时，由于要恢复原状，对跟它接触的物体会产生力的作用，物理学上，把这种力叫做弹力。

那么，弹力究竟是怎样产生的呢?我们可以通过一个简单的实验来进行观察和分析。把弹簧的一端固定，用手指勾住弹簧的另一端向上拉，这时感到被拉伸的弹簧要收缩，手指受到向下“拉”的作用；用手掌向下压弹簧时，感到发生压缩形变的弹簧要延伸，手掌受到向上“压”的作用。这表明发生弹性形变的弹簧，由于要恢复原状，对使它发生形变跟它直接接触的手指和手掌会产生力的作用，这种力就是弹力。跳水运动员正是因为用力蹬踏跳板，跳板发生弯曲形变的同时，由于它要恢复原状，运动员就受到跳板对他的弹力作用，所以他才能弹跳起来。

我们把撤去外力后物体能完全恢复原状的这种属性称为弹性，具有弹性的物体称为弹性体。大量事实表明，不仅形变的弹簧会产生弹力，一切发生弹性形变的物体。如橡皮筋、海绵块等都是典型的弹性体。弹性体发生形变时都会产生弹力，弹力的作用点就在这个直接接触的、使它发生了弹性形变的物体的接触点或接触面上。

2　弹力的方向

从上面例子的分析中可以知道，发生弹性形变的物体是要恢复原状才产生弹力的，所以弹力总是指向使物体恢复原状的方向。具体地说。手拉弹簧使它伸长，那么手受到的弹力是指向弹簧收缩的方向。弹力的方向总是与作用在物体上使物体发生形变的外力方向相反。

三、形变的弹簧与弹力的联系

把一根轻质的弹簧一端固定，在弹簧的挂钩上可以挂上钩码，每个钩码可以提供0.5N的拉力。随着钩码的增加，弹簧变长了(如图2)，平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码的重力大小相等。

现在。我们就用以上装置来研究弹簧的形变与弹力的关系。实验步骤如下：

1　如图3所示，将铁架台放于桌面上固定好，将弹簧的一端固定于铁架台的横梁上，在挨近弹簧处将刻度尺(最小分度值为mm)固定于铁架台上。

2　记下弹簧下端不挂钩码时所对应的刻度L0。

3 在弹簧下端挂上一个钩码，待钩码静止后。记下弹簧下端所对应的刻度L1。

4　用上面的方法，记下弹簧下端挂2个、3个、4个……钩码时，弹簧下端所对应的刻度L2、L3、L4……，并将所得数据记录在表格中。

5　用Xn=Ln-L0计算出弹簧挂1个、2个、3个……钩码时弹簧的伸长量，计算出所挂钩码的总重力，这个总重力就等于弹簧的弹力的大小，将所得数据填入表格。中比例常数k叫做弹簧的劲度系数(旧称倔强系数)。k值的大小与弹簧的粗细、长度以及材料性质有关。

一般说来，弹力的大小跟组成物体的材料性质和物体发生弹性形变的程度有关。请同学们注意实验中钩码数不能一直增加。如果拉力过大的话，弹簧就不能恢复原状了，就可能被损坏，这个称为弹性限度。在一定的弹性限度内，同一物体弹性形变越大，产生的弹力也就越大。一定的弹性限度内，弹簧的伸长量与外力的大小成正比关系，物理上根据这一原理制成了弹簧测力计。

弹力是人类很早就发现和利用的一种力。在远古时代，人们就已经知道利用弯曲树枝产生的弹力来进行渔猎活动。现在弹性力学已经发展成一门独立的学科，利用弹簧、牵引钢索等物体发生弹性形变产生的弹力已被广泛应用于建筑工程设计、交通运输和各种机械制造中。在体育运动和生活中也广泛地利用着形变产生的弹力。例如，跳板跳水、撑杆跳高；再如弹簧扩胸器、握力器、健身棍、测力计、火车车厢的避震弹簧；杂技中的绷床表演等等都是利用绷床弹簧形变后产生的弹力；甚至我们现在所穿的旅游鞋和运动鞋。也都是利用塑料海绵等材料形变后产生的弹力来减小行走时因蹬地而受到的冲击作用。