高考物理总复习 第二章 第四讲 实验：探究弹力和弹簧伸长的关系课件 新人教版必修1

(对应学生用书P31)一、实验目的探究弹力与弹簧伸长量的定量关系，学会用列表法、图象法、函数法处理实验数据，培养实验探究能力二、实验原理弹簧受到拉力会伸长，平衡时弹簧产生的弹力和外力大小相等，如图所示这样弹力的大小可以通过测定外力而得出(可以用悬挂砝码的方法给弹簧施加拉力)；弹簧的长度可用刻度尺测出，伸长量可以由拉长后的长度减去弹簧原来的长度进行计算多测几组数据，用列表和作图的方法探索出弹力与弹簧伸长的定量关系三、实验器材铁架台，弹簧，钩码，天平，刻度尺，坐标纸，铁夹等四、实验步骤1测量弹簧的伸长量(或总长)及所受的拉力(或所挂砝码的质量)，列表作出记录，要尽可能多测几组数据2根据所测数据在坐标纸上描点，最好以力为纵坐标，以弹簧的伸长量为横坐标3按照图中各点的分布与走向，尝试作出一条平滑的曲线(包括直线)4以弹簧的伸长量为自变量，写出曲线所代表的函数5解释函数表达式中常量的物理意义(对应学生用书P32)要点一误差分析1.本实验的误差来源之一是因弹簧拉力大小的不稳定造成的，因此，使弹簧的悬挂端固定，另一端通过悬挂钩码来充当对弹簧的拉力，可以提高实验的准确度2.弹簧长度的测量是本实验的主要误差来源，所以，测量时尽量精确地测量弹簧的长度3.在Fx图象上描点、作图不准确 要点二注意事项 1.每次增减钩码测量有关长度时，均需保证弹簧及钩码不上下振动而处于静止状态，否则，弹簧弹力将可能与钩码重力不相等2.弹簧下端增加钩码时，注意不要超过弹簧的限度3.测量有关长度时，应区别弹簧原长l0、实际总长l及伸长量x三者之间的不同，明确三者之间的关系4.建立平面直角坐标系时，两轴上单位长度所代表的量值要适当，不可过大，也不可过小5.描线的原则是，尽量使各点落在描画出的线上，少数点分布于线两侧，描出的线不应是折线，而应是平滑的曲线6.记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位要点三实验改进本实验的系统误差来自弹簧的重力，所以改进实验的思路应该是尽可能减小弹簧自重的影响：1.一个方案是将弹簧穿过一根水平光滑的杠杆，在水平方向做实验2.另一个方案是选择劲度系数较小的轻弹簧，通过减小读数的相对误差来提高实验的精确度3.利用计算机及传感器技术，将弹簧水平放置，且一端固定在传感器上，传感器与电脑相连，对弹簧施加变化的作用力(拉力或推力)时，电脑上得到弹簧弹力和弹簧形变量的关系图象(如图乙所示)，分析图象得出结论(1)在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中，以下说法正确的是()A弹簧被拉伸时，不能超出它的弹性限度B用悬挂钩码的方法给弹簧施加拉力，应保证弹簧位于竖直位置且处于平衡状态C用直尺测得弹簧的长度即为弹簧的伸长量D用几个不同的弹簧，分别测出几组拉力与伸长量，得出拉力与伸长量之比相等(2)某同学做“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验，他先把弹簧平放在桌面上使其自然伸长，用直尺测出弹簧的原长L0，再把弹簧竖直悬挂起来，挂上钩码后测出弹簧伸长后的长度L，把LL0作为弹簧的伸长量x，这样操作，由于弹簧自身重力的影响，最后画出的图线可能是图中的()解析本题主要考查使用弹簧时应注意的问题，还有用图象法来描述弹簧的弹力与其伸长量间的关系(1)实验中应以所研究的一根弹簧为实验对象，在弹性限度内通过增减钩码的数目来改变对弹簧的拉力，以探索弹力与弹簧伸长的关系，并且拉力和重力平衡，所以选A、B.(2)由于考虑弹簧自身重力的影响，当不挂钩码时，弹簧的伸长量x0，所以选C.答案(1)AB(2)C(对应学生用书P32)题型一数据处理例1利用如下图所示装置做探究弹力和弹簧伸长关系的实验所用的钩码每只的质量为30 g实验中，先测出不挂钩码时弹簧的自然长度，再将5个钩码逐个加挂在弹簧下端，稳定后依次测出相应的弹簧总长度，将数据填在表中(弹力始终未超过弹性限度，取g10 m/s2)记录数据组记录数据组123456钩码总质量钩码总质量(g)0306090120150弹簧总长弹簧总长(cm)6.007.118.209.3110.4011.52(1)在下图坐标系中作出弹簧弹力大小F跟弹簧总长度x之间的函数关系的图线(2)由图线求得该弹簧的劲度系数k_ N/m.(保留两位有效数字)答案(1)见解析(2)27题型二拓展创新实验例2(2011哈尔滨月考)17世纪英国物理学家胡克发现：在弹性限度内，弹簧的形变量与弹力成正比，这就是著名的胡克定律，受此启发，一组同学研究“金属线材伸长量与拉力的关系”的探究过程如下：()A有同学认为：横截面为圆形的金属丝或金属杆在弹性限度内，其伸长量与拉力成正比，与截面半径成反比B他们准备选用一些“由同种材料制成的不同长度、不同半径的线材”作为研究对象，用测距仪、传感器等仪器测量线材的伸长量随拉力变化的规律，以验证假设C通过实验取得如下数据：D.同学们对实验数据进行分析、归纳后，对他们的假设进行了补充、完善(1)上述科学探究活动中，属于“制定计划”和“搜集证据”的环节分别是_、_.(2)请根据上述过程分析他们的假设是否全部正确？若有错误或不足，请给予修正_.长度长度拉力拉力伸长伸长直径直径250 N500 N750 N1000 N1 m2.52 mm0.4 mm 0.8 mm 1.2 mm 1.6 mm2 m2.52 mm0.8 mm 1.6 mm 2.4 mm 3.2 mm1 m3.57 mm0.2 mm 0.4 mm 0.6 mm 0.8 mm尝试解答(1)确定研究对象，选取实验器材属“制定计划”故B属于“制定计划”；实验过程，测量数据属“搜集证据”，此过程对应C.研究伸长量x与拉力F、长度L、直径D的关系时，采用控制变量法，比如长度、直径不变，再研究伸长量与力的关系，这种方法称为控制变量法这是物理实验中的一个重要研究方法(2)他们的假设不是全部正确在弹性限度内，金属丝的伸长量与拉力成正比，与截面半径的平方成反比，还与金属丝的长度成正比答案(1)BC(2)见解析控制变量法在实验探究中的应用任何探究性实验都应遵循科学探究的七大要素，即提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作而在以实验题的形式进行考查时，可选取其中的一个或几个要素进行考查，本题即选取了其中的三个要素来考查学生对科学探究过程的理解在设计实验时，若涉及多变量问题，常采用控制变量法，这是中学实验中最常使用的方法，同学们对本法应熟记于心(对应学生用书P33)1(2011临沂模拟)如图(甲)所示，一个弹簧一端固定在传感器上，传感器与电脑相连当对弹簧施加变化的作用力(拉力或压力)时，在电脑上得到了弹簧形变量与弹簧产生的弹力大小的关系图象，如图(乙)所示则下列判断正确的是()A弹簧产生的弹力和弹簧的长度成正比B弹簧长度的增加量与对应的弹力增加量成正比C该弹簧的劲度系数是200 N/mD该弹簧受到反向压力时，劲度系数不变 答案BCD2(2011承德模拟)某同学和你一起探究弹力和弹簧伸长的关系，并测弹簧的劲度系数k.做法是先将待测弹簧的一端固定在铁架台上，然后将最小刻度是毫米的刻度尺竖直放在弹簧一侧，并使弹簧另一端的指针恰好落在刻度尺上当弹簧自然下垂时，指针指示的刻度数值记作L0，弹簧下端挂一个50 g的钩码时，指针指示的刻度数值记作L1；弹簧下端挂两个50 g的钩码时，指针指示的刻度数值记作L2；挂七个50 g的钩码时，指针指示的刻度数值记作L7.(1)如表中记录的是该同学已测出的6个值，其中有两个数值在记录时有误，它们的代表符号分别是_和_测量记录表：(2)实验中，L3和L7两个值还没有测定，请你根据图将这两个测量值填入记录表中代表符号代表符号L0L1L2L3L4L5L6L7刻度数值刻度数值/cm1.703.405.108.6010.312.1(3)为充分利用测量数据，该同学将所测得的数值按如下方法逐一求差，分别计算出了三个差值：d1L4L06.90 cm，d2L5L16.90 cm，d3L6L27.00 cm.请你给出第四个差值：d4_ cm.(4)根据以上差值，可以求出每增加50 g钩码，弹簧平均伸长量L.L用d1、d2、d3、d4表示的式子为：L_，代入数据解得L_ cm.(5)计算弹簧的劲度系数k_ N/m.3在“探究弹力和弹簧伸长的关系，并测定弹簧的劲度系数”的实验中，实验装置如图所用的每个钩码的重力相当于对弹簧提供了水平向右恒定的拉力实验时先测出不挂钩码时弹簧的自然长度，再将5个钩码逐个挂在绳子的下端，每次测出相应的弹簧总长度(1)有一个同学通过以上实验测量后把6组数据描点在坐标图中，请作出FL图线(2)由此图线可得出该弹簧的原长L0_ cm，劲度系数k_ N/m.(3)试根据以上该同学的实验情况，请你帮助他设计一个记录实验数据的表格(不必填写其实验测得的具体数据)(4)该同学实验时，把弹簧水平放置与弹簧悬挂放置相比较优点在于：_.缺点在于：_.解析(1)用平滑的曲线将各点连接起来，如图所示：(2)弹簧的原长L0即为弹力为零时弹簧的长度，由图象可知，L05102 m5 cm.劲度系数为图象直线部分的斜率，k20 N/m.(3)记录数据的表格如下表：(4)优点是：避免弹簧自身所受重力对实验的影响；缺点是：弹簧与桌面及绳子与滑轮间存在的摩擦造成实验的误差答案(1)见解析(2)520(3)(4)见解析次数次数1 12 23 34 45 56 6弹力弹力F F/N/N弹簧的长度弹簧的长度L L/ /10102 2m m4(2012安徽省省城名校联考)某同学在研究性学习中，利用所学的知识解决了如下问题：一轻弹簧一端固定于某一深度为h0.25m、且开口向右的小筒中(没有外力作用时弹簧的下部分位于筒内)，如图甲所示，如果本实验的长度测量工具只能测量出距筒口右端弹簧的长度l，现要测出弹簧的原长l0和弹簧的劲度系数，该同学通过改变挂钩码的个数来改变l，作出Fl变化的图线如图乙所示(1)由此图线可得出的结论是_；(2)弹簧的劲度系数为_N/m，弹簧的原长l0_m；(3)该同学实验时，把弹簧水平放置与弹簧悬挂放置相比较，优点在于：_； 缺点在于：_.解析设弹簧原长为l0，由图可知，弹簧伸长量可表示为hll0，由胡克定律可得Fk(hll0)，Fl图线斜率表示弹簧的劲度系数，k100N/m.Fl图线在纵轴截距表示l0时F10N，代入Fk(hll0)，解得弹簧的原长l00.15m.答案(1)在弹性限度内， 弹力与弹簧的伸长量成正比(2)1000.15(3)避免弹簧自身所受重力对实验的影响弹簧与筒及绳子与滑轮间存在的摩擦造成实验的误差答案(1)乙猜想正确，判断依据见解析(2)铁架台、刻度尺(3)见解析6(2011大连模拟)用纳米技术处理过的材料叫纳米材料，其性质与处理前相比会发生很多变化，如机械性能会成倍地增加，对光的反射能力会变得非常低，熔点会大大降低，甚至有特殊的磁性质现有一种纳米合金丝，欲测定出其伸长量x与所受拉力F、长度L、截面直径D的关系(1)测量上述物理量需要的主要器材是：_、_、_等(2)若实验中测量的数据如表中所示，根据这些数据请写出x与F、L、D间的关系式：x_(若用到比例系数，可用k表示)长度长度L/cm拉力拉力F/N伸长伸长x/cm直径直径D/mm 50.0 100.0 200.0 5.00 0.040 0.20 0.40 0.80 10.00 0.040 0.40 0.80 1.60 5.00 0.080 0.10 0.20 0.40(3)在研究并得到上述关系的过程中，主要运用的科学研究方法是_(只需写出一种)(4)若有一根合金丝的长度为20 cm，截面直径为0.200 mm，使用中要求其伸长量不能超过原长的百分之一，那么这根合金丝能承受的最大拉力为_N.