如果你将橡皮筋或橡胶轮胎拉伸到一定程度,它们就会伸长。松开拉力后,橡皮筋或轮胎会恢复到原来的长度。同样,当你拉伸弹簧时,它也会伸长。松开拉力后,它也会恢复到原来的长度。弹簧或橡皮筋之所以在拉伸时伸长,并在拉力释放后恢复到原来的长度,是因为它们具有弹性。弹性是指物体在受力移除后恢复原状的能力。
你嚼过口香糖吗?如果你用双手拉扯口香糖,它会变长。松开手后,口香糖的形状不会改变,长度也不会恢复到原来的状态。橡皮泥、黏土等也是如此。像口香糖、橡皮泥和黏土这样的物体被称为可塑性物体。弹性物体,例如弹簧,如果受到较大的拉力并超过其弹性极限,也会变成可塑性物体。
如果向右拉动弹簧,弹簧会伸长(图 1)。当拉力不大时,弹簧长度的增加量与拉力 (F) 的大小成正比。换句话说,拉力越大,弹簧长度的增加量也越大。拉力 (F) 与弹簧长度增加量的比值是一个常数。
力 (F) 与弹簧长度增加量之比为常数,这由图表的相同斜率表示(图 2)。
k 是弹簧的弹簧常数或弹性系数,是衡量弹簧柔韧性的指标。这一关系最早由罗伯特·胡克(1635-1703)于 1678 年发现,因此被称为胡克定律。
如果施加在弹簧上的力的大小超过弹簧的弹性极限,那么在移除力之后,弹簧的长度将无法恢复到原来的长度。胡克定律仅适用于弹性极限范围内的力。弹簧的弹性极限是指在弹簧发生永久形变且长度无法恢复到原来的长度之前,所能施加的最大力。如果力的大小继续增大,弹簧将会损坏。
问题示例
1. 2018年全国统考题
一支箭系在弓弦上,用 20 牛顿的力拉开弓弦,使弓弦伸长 20 厘米。忽略空气阻力,箭的质量为 250 克,那么箭射出时的速度是……
讨论
我们都知道:
力 (F) = 20 N
长度增加量 ( s) = 20 厘米 = 0,2 米
箭的质量 (m) = 250 克 = 0,25 千克
初始速度(v₀ )= 0 米/秒
问:箭从弓射出时的速度是多少?
Jawab:
功(W)= 动能变化(ΔEK)
W = F s = (20)(0,2) = 4
EK = 1/2 m (vt2 -vo2) = 1/2 m (vt2) = 1/2 (0,25)(vt2) = 1/2 (0,25)(vt2) = 0,125 vt2
W = ΔEK
F s = 1/2 m (v t 2 )
4 = 0,125 v t 2
4/0,125 = v t 2
v t 2 = 32
v t = √32
v t = √(16)(2)
vt = 4√2 米/秒

