一、胡克的探究弹簧的故事?
胡克在研制天文仪器的时候,接触到了弹簧。为了研究弹簧的性能,胡克做了许多实验。做过金匠的胡克,想到以前拉弹簧的情形:用力拉弹簧,可以把弹簧拉长,而且拉力越大,它会越长。他自言自语道:“如果我弄明白弹簧长度和拉力的关系,不就可以利用弹簧测出地球对物体的吸引力了吗?”
1660年,他把弹簧的一端悬挂起来,在另一端加重量,观察弹簧长度的变化。当他把多次实验数据列在一起的时候,他发现,弹簧上所加重量的大小与弹簧的伸长量成正比。
他找了一条弹簧和好几个相同重量的物品,把这些东西一个个加挂在弹簧上,并分别记下弹簧的长度。最后他再整理这些记录,结果发现:挂一个物体时,弹簧伸长1英寸(2.5公斤);挂两个,伸长2英寸(5公斤)……
胡克心想:“怎么这么巧呢!”于是,他又另外找了几个弹簧,做同样的实验,结果都和以前一样:弹簧的伸长度和挂物的数量成正比,这是力学上一个重大的发现。
这一发现使胡克十分兴奋。弹簧的这种性质是不是对所有的弹性体都适用呢?胡克知道,必须用实验来证实自己的推理。
他把表的游丝固定在黄铜的轮子上,加上外力使轮子转动,游丝便收缩或放松。改变外力的大小,游丝收缩或放松的程度也会改变。实验结果表明,外力与游丝收缩或放松的程度成正比。他又用6~12米长的金属线实验,发现金属线上受到的外力也是与金属线的伸长量成正比的。
金属物质有这种性质,其他物质有没有呢?他找来一根干燥的木杆,将木杆水平放置,一端固定,另一端挂上重物,结果也是一样:所加重量的大小与木杆弯曲的程度也成正比。他还用丝、毛发、玻璃、土块等做实验。
胡克虽然最终没能发现万有引力定律,但他却把握住了物理学另一个伟大发现的契机,这就是著名的“弹性定律”,又称为“胡克定律”:任何有弹性的物体,弹性力都与它伸长的距离成正比。
二、一根轻弹簧,在地球表面将它拉长1cm需要6N的拉力,在月球上只需要1N的拉力?
上述弹簧在月球上拉长1cm仍然需要6N的拉力而不是1N。这是因为外施拉力必须克服弹力才能拉动弹簧,而弹簧的弹力只与弹簧本身有关,与拉动时的环境无关。诚然,在地球上6N的重力将弹簧拉伸了1cm,弹簧拉力与重力互相平衡。但若将此种平衡移到月球上,则原平衡会失去而呈现一种新的平衡:原来6N的重力变成了1N,弹簧也就相应地由伸长1cm回缩到(伸长)1/6 cm处,这时弹簧拉力的确是1N,拉力和重力仍然是一对平衡力。