全国通用版2018-2019高中物理第三章相互作用实验：探究弹力与弹簧伸长量的关系学案新人教版必修1 .doc

实验：探究弹力与弹簧伸长量的关系学习目标1.探究弹力与弹簧伸长量之间的关系.2.学会利用列表法、图象法、函数法处理实验数据.3.能根据Fx、Fl图象求出弹簧的劲度系数.一、实验器材弹簧、刻度尺、钩码、铁架台、坐标纸.二、实验原理1.如图1甲所示，在弹簧下端悬挂钩码时弹簧会伸长，平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码受到的重力大小相等.弹簧的原长与挂上钩码后弹簧的长度可以用刻度尺测出，其伸长量x可以用弹簧的长度减去弹簧的原长来求得.图12.建立直角坐标系，以纵坐标表示弹力大小F，以横坐标表示弹簧的伸长量x，在坐标系中描出实验所测得的各组(x，F)对应的点，用平滑曲线连接起来，根据实验所得的图象，就可探究弹力大小与弹簧伸长量之间的关系.三、实验步骤1.将弹簧的一端挂在铁架台上，让其自然下垂，用刻度尺测出弹簧自然伸长状态时的长度l0，即原长.2.如图1乙所示，在弹簧下端挂质量为m1的钩码，测出此时弹簧的长度l1，记录m1和l1.3.改变所挂钩码的质量，测出对应的弹簧长度，记录m2、m3、m4、m5、和相应的弹簧长度l2、l3、l4、l5、.4.计算出每次弹簧的伸长量x(xll0)和弹簧受到的拉力F(Fmg)，并将数据填入表格.1234567F/N0l/cmx/cm0四、数据处理1.建立直角坐标系，以F为纵轴，x为横轴，根据测量数据用描点法作图.连接各点得出F随弹簧伸长量x变化的图线，如图2所示.图22.以弹簧的伸长量为自变量，写出图线所代表的函数.首先尝试一次函数，如果不行则考虑二次函数.3.得出弹力和弹簧伸长量之间的定量关系，解释函数表达式中常数的物理意义.五、注意事项1.实验中弹簧下端挂的钩码不要太多，避免超出弹簧的弹性限度.2.测量长度时，应区别弹簧原长l0、实际长度l及伸长量x三者之间的不同，明确三者之间的关系.为了减小弹簧自身重力带来的影响，测弹簧原长时应让弹簧在不挂钩码时保持自然下垂状态，而不是平放在水平面上处于自然伸长状态.3.记录数据时要注意弹力及伸长量的对应关系及单位.4.描点作图时，应使尽量多的点落在画出的线上，可允许少数点分布于线两侧，描出的线不应是折线，而应是平滑的曲线或直线.5.尽量选轻质弹簧以减小弹簧自身重力带来的影响.一、实验原理及操作例1以下是某同学所进行的“探究弹力与弹簧伸长量的关系”的实验步骤：(1)将一个弹簧的上端固定在铁架台上，竖直悬挂起来，在弹簧下挂一个钩码，记下钩码的质量m1，此时弹簧平衡，弹力大小为F1m1g，并用刻度尺测量出此时弹簧的长度l1，并记录到表格中.(2)再增加钩码，重复上述的操作，逐渐增加钩码的重力，得到多组数据.(3)以力F为纵坐标，以弹簧长度lx为横坐标，根据所测的数据在坐标纸上描点.(4)按坐标纸上所描各点的分布与走向，作出一条平滑的曲线(包括直线).(5)根据图线的特点，分析弹簧的弹力F与弹簧长度lx的关系，并得出实验结论.以上步骤中至少有三个不当之处，请将不合理的地方找出来并进行修正.答案见解析解析(1)中还应该测出弹簧的原长l0，此时应在不挂钩码的情况下，让弹簧保持自然下垂状态，用刻度尺测出从悬点到弹簧下端的长度即为l0；(3)中建立坐标系时应该以弹簧的形变量为横坐标，因为探究的是弹力与弹簧伸长量的关系；(5)中应分析弹力与弹簧伸长量的关系.【考点】实验：探究弹力与弹簧伸长量的关系【题点】实验器材及原理二、实验数据的处理及误差分析例2某同学探究弹力与弹簧伸长量的关系.(1)将弹簧悬挂在铁架台上，将刻度尺固定在弹簧一侧.弹簧轴线和刻度尺都应在_方向(填“水平”或“竖直”).(2)弹簧自然悬挂，待弹簧_时，长度记为L0；弹簧下端挂上砝码盘时，弹簧长度记为Lx；在砝码盘中每次增加10 g砝码，弹簧长度依次记为L1至L6.数据如下表.代表符号L0LxL1L2L3L4L5L6数值(cm)25.3527.3529.3531.3033.435.3537.4039.30表中有一个数值记录不规范，代表符号为_.由表可知所用刻度尺的最小分度为_.(3)图3是该同学根据表中数据作的图，纵轴是砝码的质量，横轴是弹簧长度与_的差值(填“L0”或“Lx”).图3(4)由图可知弹簧的劲度系数为_N/m；通过图和表可知砝码盘的质量为_g.(结果保留两位有效数字，重力加速度g取9.8 N/kg)答案(1)竖直(2)稳定L31 mm(3)Lx(4)4.910解析(1)为保证弹簧的形变只由砝码和砝码盘的重力产生，弹簧轴线和刻度尺均应在竖直方向.(2)弹簧静止稳定时，记录原长L0；表中的数据L3与其他数据有效数字位数不同，所以数据L3不规范，标准数据应读至cm位的后两位，最后一位应为估读值，所以刻度尺的最小分度为1 mm.(3)由题图知所挂砝码质量为0时，x为0，所以xLLx(L为弹簧长度).(4)由胡克定律Fkx知，mgk(LLx)，即mgkx，所以图线斜率即为弹簧的劲度系数k N/m4.9 N/m同理，砝码盘的质量m kg0.01 kg10 g.【考点】实验：探究弹力与弹簧伸长量的关系【题点】实验过程及数据处理1.Fx图象应是过原点的直线，直线的斜率等于弹簧的劲度系数.2.Fl图象是不过原点的直线，其与横轴的截距等于弹簧的原长，斜率仍然等于弹簧的劲度系数.针对训练某同学做“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验.图4(1)图4甲是不挂钩码时弹簧下端指针所指的标尺刻度，其示数为7.75 cm；图乙是在弹簧下端悬挂钩码后指针所指的标尺刻度，此时弹簧的伸长量l为_ cm.(2)本实验通过在弹簧下端悬挂钩码的方法来改变弹簧的弹力，关于此操作，下列选项中规范的做法是_(填选项前的字母)A.逐一增挂钩码，记下每增加一只钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重B.随机增减钩码，记下增减钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重(3)图丙是该同学描绘的弹簧的伸长量l与弹力F的关系图线，图线的AB段明显偏离直线OA，造成这种现象的主要原因是_.答案(1)6.91(6.906.92)(2)A(3)超出弹簧的弹性限度解析(1)由题图乙标尺刻度可知示数l214.66 cm，ll2l16.91 cm.(2)为防止弹簧超出弹性限度，应逐渐增加钩码的重量，故选A.(3)由题图丙知AB段伸长量与弹力不成线性关系，主要原因是钩码重力超出弹簧的弹性限度.【考点】实验：探究弹力与弹簧伸长量的关系【题点】实验误差分析三、创新实验例3在“探究弹力与弹簧伸长量的关系，并测定弹簧的劲度系数”的实验中，实验装置如图5所示.所用的每个钩码的重力相当于对弹簧提供了向右恒定的拉力.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.图5(1)有一个同学通过以上实验测量后把6组数据描点在图6坐标系中，请作出FL图线.图6(2)由此图线可得出该弹簧的原长L0_ cm，劲度系数k_ N/m.(3)试根据该同学以上的实验情况，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：_.答案见解析解析(1)FL图线如图所示：(2)弹簧的原长L0即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)记录实验数据的表格如下表次数123456弹力F/N弹簧的长度L/(102 m)(4)优点是：可以避免弹簧自身重力对实验的影响.缺点是：弹簧与桌面及绳子与滑轮间存在的摩擦会造成实验误差.【考点】实验：探究弹力与弹簧伸长量的关系【题点】实验过程及数据处理1.(实验器材及原理)在“探究弹力与弹簧伸长量的关系”实验中，弹簧弹力的大小为F，弹簧的形变量(伸长量或压缩量)为x，下列说法正确的是()A.实验中k的具体数值只能用逐个计算的方法求出来，而没有其他的方法B.如果没有测出弹簧原长，用弹簧长度L代替x，FL图线也是过原点的一条直线C.利用Fx图线可求出k值D.实验时要把所有点连到线上，才能探索得到真实规律答案C解析该实验中进行数据处理，可以采用图象法，并非只能用逐个计算的方法来求k，故A错误；用弹簧长度L代替x，FL图线不过原点，故B错误；在Fx图象中图线的斜率表示劲度系数的大小，故利用Fx图线可以求出k值，故C正确；实验时并非把所有点连到线上，而是让线穿过尽量多的点，不能穿过的尽量分布在线的两侧，这样可以剔除误差比较大的点，故D错误.【考点】实验：探究弹力与弹簧伸长量的关系【题点】实验器材及原理2.(实验器材及原理)在探究一根轻质弹簧的弹力与伸长量的关系的实验中，根据测量数据作出了弹力F和弹簧的形变量x的关系图象.下列说法正确的是()A.图线是经过坐标原点的曲线，说明F与x成正比B.图线是经过坐标原点的直线，说明F与x成正比C.弹簧的劲度系数与弹力成正比D.图线的斜率的倒数就是弹簧的劲度系数答案B解析在弹性限度内，图线是经过坐标原点的直线，说明F与x成正比，故A错误，B正确；弹簧的劲度系数，取决于弹簧自身，故C错误；由胡克定律Fkx得，图线的斜率k表示弹簧的劲度系数，故D错误.【考点】实验：探究弹力与弹簧伸长量的关系【题点】实验器材及原理3.(实验过程及数据处理)如图7所示是“探究弹力与弹簧伸长量的关系”实验装置，小东认真操作、正确读数后得到的数据记录如下表.由表可知(重力加速度g9.8 m/s2)()图7次数物理量1234F/N00.981.962.94L/cm12.014.016.018.0x/cm02.04.06.0A.每个钩码的质量为0.98 kgB.实验所用刻度尺的最小分度是1 mmC.每挂一个钩码，弹簧伸长12.0 cmD.实验时弹簧伸长量未超过弹性限度答案D解析每个钩码的质量m kg0.1 kg，A错.由于弹簧的长度记录到整数厘米的下一位，故所用刻度尺为厘米刻度尺，最小分度为1 cm，B错.由题表可以看出，每挂一个钩码，弹簧都要伸长2 cm，C错.由所给实验数据可以看出，弹簧弹力与其伸长量成正比，符合胡克定律，故弹簧伸长量未超过它的弹性限度，D对.【考点】实验：探究弹力与弹簧伸长量的关系【题点】实验过程及数据处理4.(实验过程及数据处理)一位同学在做“探究弹力与弹簧伸长量的关系”的实验.(1)下列的实验步骤是这位同学准备完成的，请你帮这位同学按操作的先后顺序，将这些步骤用字母排列出来是_.A.以弹簧伸长量为横坐标，以弹力为纵坐标，描出各组数据(x，F)对应的点，并用平滑的曲线连接起来B.记下弹簧不挂钩码时，其下端在刻度尺上的刻度l0C.将铁架台固定于桌子上，并将弹簧的一端系于横梁上，在弹簧附近竖直固定一刻度尺D.依次在弹簧下端挂上1个、2个、3个、4个钩码，并分别记下钩码静止时，弹簧下端所对应的刻度并记录在表格内，然后取下钩码E.以弹簧伸长量为自变量，写出弹力与弹簧伸长量的关系式F.解释函数表达式中常数的物理意义(2)下表是这位同学所测的几组数据弹力(F/N)0.51.01.52.02.5弹簧原来长度(L0/cm)1515151515弹簧后来长度(L/cm)16.217.318.519.620.8弹簧伸长量(x/cm)算出每一次弹簧的伸长量，并将结果填在表中的空格中.根据上表的数据在图8的坐标系中作出Fx图线.图8写出曲线的函数表达式_(x用cm做单位).函数表达式中常数的物理意义：_.答案(1)CBDAEF(2)弹力(F/N)0.51.01.52.02.5弹簧伸长量(x/cm)1.22.33.54.65.8见解析图F0.43x表示弹簧的劲度系数，即表示使弹簧伸长或者压缩1 cm所需的外力大小为0.43 N解析(1)在做实验的时候一般步骤为先组装器材，然后进行实验，最后数据处理，故顺序为CBDAEF.(2)根据描点法，图象如图所示、根据图象，该直线为过原点的一条直线，即弹力与伸长量成正比，即Fkx0.43x.式中的常数表示弹簧的劲度系数，即表示使弹簧伸长或者压缩1 cm所需的外力大小为0.43 N.【考点】实验：探究弹力与弹簧伸长量的关系【题点】实验过程及数据处理5.(实验数据处理)某同学利用如图9a装置做“探究弹簧弹力大小与其长度的关系”的实验.图9(1)他通过实验得到如图b所示的弹力大小F与弹簧长度x的关系图线.由此图线可得该弹簧的原长x0_ cm，劲度系数k_ N/m.(2)他又利用本实验原理把该弹簧做成一把弹簧秤，当弹簧秤上的示数如图c所示时，该弹簧的长度x_ cm.答案(1)450(2)10解析(1)当F0时，弹簧的长度即为原长，由胡克定律可知图象的斜率表示劲度系数大小.(2)弹簧秤的示数为3 N，则伸长量为 m0.06 m，则长度为10 cm.【考点】实验：探究弹力与弹簧伸长量的关系【题点】实验过程及数据处理6.(实验误差分析)某实验小组做“探究弹力与弹簧伸长量的关系”的实验，实验时，先把弹簧平放在桌面上，用直尺测出弹簧的原长L04.6 cm，再把弹簧竖直悬挂起来，在下端挂钩码，每增加一只钩码记下对应的弹簧长度L，数据记录如下表所示：钩码个数12345弹力F/N1.02.03.04.05.0弹簧的长度L/cm7.09.011.013.015.0(1)根据表中数据在图10中作出FL图线；图10(2)由此图线可得，该弹簧劲度系数k_ N/cm.(3)图线与L轴的交点坐标大于L0的原因是_.答案见解析解析(1)如图所示(2)图象的斜率表示劲度系数，故有：k N/m50 N/m.(3)图线与L轴的交点坐标表示弹簧不挂钩码时的长度，其数值大于弹簧原长，是因为弹簧自身重力的影响.【考点】实验：探究弹力与弹簧伸长量的关系【题点】实验误差分析