弹簧振子实验报告

1、弹簧振子实验报告一、 引言实验目的1. 测定弹簧的刚度系数(stiffness coefficient).2. 研究弹簧振子的振动特性，验证周期公式.3. 学习处理实验数据.实验原理一根上端固定的圆柱螺旋弹簧下端悬一重物后，就构成了弹簧振子.当振子处于静止状况时，重物所受的重力与弹簧作用于它的弹性 恢复力相平衡，这是振子的静止位置就叫平衡位置.如用外力使振子 离开平衡位置然后释放，则振子将以平衡位置为中心作上下振动.实 验研究表明，如以振子的平衡位置为原点(x=0),则当振子沿铅垂方向 离开平衡位置时，它受到的弹簧恢复力F在一定的限度内与振子的位 移x成正比，即F =-kx1 / 19下载文档

2、可编辑(1)式中的比例常数k称为刚度系数（stiffness coefficient ）,它 是使弹簧产生单位形变所须的载荷.这就是胡克定律.式（1）中的负 号表示弹性恢复力始终指向平衡位置当位移x为负值，即振子向下 平移时，力F向上.这里的力F表示弹性力与重力mg的综合作用结果.根据牛顿第二定律，如振子的质量为 m在弹性力作用下振子的运动方程为:令.，上式可化为一个典型的二阶常系数微分方程，其解为(3)（3）式表明.弹簧振子在外力扰动后，将做振幅为A,角频率为叫 的简谐振动，式中的（吋+巾）称为相位，中称为初相位.角频率为叫 的振子其振动周期为°叫，可得（4）式表示振子的周期与其质

3、量、弹簧刚度系数之间的关系，这是弹簧振子的最基本的特性.弹簧振子是振动系统中最简单的一种，它的运动特性（振幅，相位，频率，周期）是所有振动系统共有的基本特性，研究弹簧振子的振动是认识更复杂震动的基础 .弹簧的质量对振动周期也有影响.可以证明，对于质量为0的圆柱形弹簧，振子周期为心的质量参加(5)mo/式中称为弹簧的等效质量，即弹簧相当于以 了振子的振动.非圆柱弹簧（如锥形弹簧）的等效质量系数不等于1/3.我们选用短而轻的弹簧并配备适当重量的砝码组成振子，是实验 条件与理论比较相符.在此基础上测振子周期，考察振子质量和弹簧 刚度系数对周期的影响，再将所得结果与理论公式比较，并探讨实验 中存在的问

4、题.实验仪器装置游标高度尺，电子天平，弹簧，砝码，秒表实验步骤1. 测弹簧质量和刚度系数先测出弹簧的质量和刚度系数，测量时要分清弹簧的标记色，避 免测周期是把数据弄混.弹簧的刚度系数可用静力平衡法测定，即在 悬挂好的弹簧下端逐次加挂砝码，设其质量为 "1，“4 , “5， 然后取乙为自变量、片円为因变量作直线拟合，斜率b的绝对值即 为弹簧的刚度系数.（也可对 拟合做出直线斜率，再乘以 g=9.801m）.为测准，应选一能正确反映弹簧伸长的标志线或面，而且要保证高度尺能方便地校准.实验中砝码和弹簧质量要求读到0.01g.2. 对同一弹簧测不同振子质量件时的周期° ,验证一叫之

5、间的规律选一弹簧，测量5或6个不同质量下的振动周期，每次固定读取 连续100个（或50个）周期的时间间隔，同一质量下测 3次，取其 平均值来计算结果，实验前预先拟好数据表格.（5）式改写为方程(6)对测量数据作以为自变量、m为因变量的最小二乘法直线拟合可由直线的斜率与截距求得刚度系数 k与弹簧的质量3. 对几乎相同的振子质量测不同弹簧的周期，验证 匚一叫之间的规律砝码质量可选定大于0.300kg的某合适值，用不同弹簧测量振子 周期，每次测量仍固定读取连续100个（或50个）周期的时间间隔, 同一弹簧测3次周期，取其平均值作为结果-.不同弹簧的振子总等效质量可能略有不同.下面的数据处理中计算总振

6、子质量时，近似的统一加上弹簧平均质量的1/3，经过分析可以得知，这样不同弹簧的振子总等效质量与近似值的差别不大于 0.15%,折合成的等效周期测量误差不大于 0.08%，即使不对质量因 素进行修正，其影响也不太大.方程（5）可以变换成2ti可对测量数据作以“网为自变量、伯人为因变量进行直线拟合数据分析1.砝码质量与弹簧质量其中质量测量的不确定度均为岸=O.OOOIg砝码编号123456789砝码10.310.410.210.010.310.210.310.210.1质量191796446（g）表1砝码的质量带标记的弹簧无（较小）红色黄色橙色蓝色无（较大）质量530.1633.2034.6039

7、.2340.7243.61（g）表2弹簧的质量2.测量弹簧的k值其中长度测量的不确定度均为-.表中长度单位均为mm.读数指弹簧最下端在游标高度尺上的读数悬挂砝码数0456789悬挂砝码总质量（g）041.0751.4561.7272.0682.3092.46m洱(N)00.4030.5040.6050.7060.8070.906无（较 小）弹簧 读数403.4376.8369.9362.7355.4347.6340.8红色弹簧读数402.3380.2370.8361.4352.2343.1333.7黄色弹簧读数404.5389.5380.4368.3355.0342.8330.6橙色弹簧读数3

8、75.7315.7299.8284.2267.2252.5236.0蓝色弹簧读数381.2320.3303.3286.0267.0250.5233.5无（较 大）弹簧 读数369.5286.5264.7241.8219.8196.4173.0表3 悬挂不同砝码的各弹簧读数F面是以读数为自变量/ 为因变量进行直线拟合所得的图像宀N£ .冊逗淋魁北吐0 350 360.370 380 390 40.41无（较小）弹簧读数lm）JI-5 151 Q <m R料££也划喲JnJ32图1无（较小）弹簧mg-xy-l2.7H*K + b：ZU7R2= 0.9811 _

9、_ _ _0 33Q.340.350 36Q.370 390.390 40 410 42红色律賛读数（m）图2红色弹簧的mg-xy = -W*xM.59GR2= 0.91733280 34IIII0 360.380 4黄色那普读就tml0.420.44一22图3黄色弹簧的mg-x橙色弹簧读数(m)图4橙色弹簧的mg-x1.2图6无（较大）弹簧mg-x由拟合直线的斜率可以求得各弹簧的刚度系数见下表弹簧无（较小）红黄橙蓝无（较大）刚度系数14.4112.7910.986.4836.0894.613k（ N/m）表4各弹簧的刚度系数3.对同一弹簧测不同振子质量卩时的周期耳，验证一叫之间的规律选定蓝色

10、的弹簧，测量不同振子质量 叫时的周期兀如下表：砝码个数3456砝码质量叫（g）30.999841.067451.454361.716950个周期时间（1）（秒）28.0030.9133.6536.2250个周期时间（2）（秒）27.9730.8733.6636.1650个周期时间（3）（秒）28.0330.9733.6936.22平均每个周期时间匚（秒）0.5600.6180.6730.724（秒八2）0.3140.3820.4530.524表5同一弹簧测不同振子质量卩时的周期耳以为自变量，'为因变量进行线性拟合，得到下图图7mJi拟合直线z由直线可得mJ满足线性关系.由斜率计算蓝色弹

11、簧得刚度系数为5.772N/m.由截距算的蓝色弹簧的质量为 44.49g.4. 对几乎相同的振子质量测不同弹簧的周期，验证 几之间的规律选定4个砝码不变.换用不同的弹簧，测得周期数据如下表:弹簧In50个周期时间（1）（秒）50个周期时间（2）（秒）50个周期时间（3）（秒）平均每 个周期 时间耳（秒）红12.792.54921.8821.9321.900.438-0.826黄10.982.39622.1022.0622.030.441-0.819橙6.4831.86929.0029.0029.000.58-0.545蓝6.0891.80630.9130.8730.970.618-0.481无

12、（较大）4.6131.52935.1935.1635.160.703-0.352四、误差分析图8不同弹簧的卩陷之间的规律1.测量弹簧的k值的误差分析见下表弹簧无（较小）红黄橙蓝无（较大）刚度系数14.4112.7910.986.4836.0894.613（N/m）r0.0180.0230.0290.0910.1030.179 ?0.0100.0460.0950.0060.0140.010不确定度0.200.801.480.050.120.06(N/m )综上,各弹簧的刚度系数见下表弹簧无（较小）红黄橙蓝无（较大）刚度系14.41 士12.79 士10.98 士6.483 士6.089 士4.613 士数(N/m)0.200.801.480.050.120.062.验证於一叫之间的规律的误差分析V = 0.098A y = 8.62 x 10A - = A B = 5.499 x 10 4n由上式得出Ak = 4ff2A B = O-O217N/IH所以由拟合直线计算蓝色弹簧的刚度系数为 "仝厂门士0.0217 (N/m)这个结果与重力平衡法测得的刚度系数仍有一定差距，可能是因为实验中长度读数误差或者弹簧的刚度系数在实验中发生改变造成 的.AA = 1.844 X 10AAx 3