电子数显测力计5T拉压弹簧劲度系数实验操作

一、实验目的
通过电子数显测力计测量弹簧在拉伸和压缩状态下的受力与形变量，计算弹簧的劲度系数（弹性系数），验证胡克定律，并掌握数显测力计的使用方法及数据处理技巧。
二、实验器材
1. 电子数显测力计（量程5T）：精度0.1N，具备峰值保持功能。
2. 待测弹簧：线性弹性范围内的金属螺旋弹簧（建议选择标称载荷接近5T的弹簧）。
3. 固定支架与夹具：确保弹簧两端稳固连接，避免滑动误差。
4. 标尺或游标卡尺：测量弹簧形变量，精度0.1mm。
5. 数据记录表：用于记录拉力（F）与形变量（ΔL）的对应关系。
三、实验原理
根据胡克定律，在弹性限度内，弹簧的弹力F与形变量ΔL成正比：
\[ F = k \cdot \Delta L \]
其中，k为劲度系数（单位：N/m），表征弹簧的软硬程度。通过测量多组F-ΔL数据，拟合直线斜率即可求得k值。
四、实验步骤
1. 仪器安装与校准
- 将电子数显测力计垂直固定在支架上，确保受力方向与测力计轴线一致。
- 开机后清零（归零），避免初始载荷误差。
- 检查测力计单位设置为牛顿（N），量程调至5T（约50000N）。
2. 弹簧预拉伸
- 将弹簧一端固定在测力计挂钩上，另一端连接夹具。
- 缓慢施加拉力至弹簧初始绷紧状态（消除自然弯曲），记录此时测力计示数F₀（通常接近0N）。
3. 拉伸实验
- 分级加载：以500N为间隔逐步增加拉力（如500N、1000N、1500N…），每级稳定后记录形变量ΔL（弹簧伸长量）。
- 重复3次取平均值，减少随机误差。
- 注意：不得超过弹簧的弹性限度（若形变量突然增大或测力计示数非线性变化，需立即停止）。
4. 压缩实验
- 反转弹簧安装方向，使测力计对弹簧施加压力。

- 同样分级加载，记录压力与压缩量ΔL’。

5. 数据记录
| 载荷F (N) | 拉伸形变量ΔL (mm) | 压缩形变量ΔL’ (mm) |
|———–|——————-|——————–|
| 500 | 12.3 | 11.8 |
| 1000 | 24.7 | 23.5 |

| … | … | … |

五、数据处理与分析
1. 绘制F-ΔL曲线：
- 以F为纵坐标、ΔL为横坐标，绘制散点图并拟合直线。
- 直线斜率即为劲度系数k（拉伸）和k’（压缩）。
2. 误差分析：
- 系统误差：测力计精度、标尺读数误差。
- 随机误差：操作抖动、环境振动。建议通过多次测量降低影 响。
六、注意事项
1. 安全操作：
- 不可超量程使用测力计，避免传感器损 坏。
2. 环境控制：
- 避免温度剧烈变化（金属弹簧k值受温度影响）。
3. 数据验证：
- 对比拉伸与压缩的k值，若差异显著，需检查弹簧是否非线性或存在塑性变形。
七、实验拓展
1. 不同弹簧对比：测试不同材料（如不锈钢、碳钢）或线径的弹簧，分析k值与几何参数的关系。
2. 动态测量：结合高速摄像机，研究弹簧振动频率与k值的关联。
八、常见问题解答
- Q：测力计示数跳动怎么办？
A：检查连接是否稳固，排除外界振动干扰，或启用测力计的“均值滤波”功能。
- Q：弹簧形变量测量不准？
A：使用更高精度的位移传感器（如光栅尺）替代标尺。
九、实验报告要求
1. 明确实验目的、器材与步骤。
2. 附原始数据表及F-ΔL曲线图。
3. 分析k值的物理意义，并与理论值（如有）对比。