【三年高考】2016届高三物理一轮复习(浙江专用课件)第二章相互作用第4讲实验二_探究弹力和弹簧伸长

浙江专用物理第4讲实验二:探究弹力和弹簧伸长的关系实验目的1.探究弹力和弹簧伸长的关系。2.培养学生进行实验探究的科学方法。知识梳理实验原理物体发生弹性形变时,会产生弹力,弹性形变越大,弹力也越大。弹力的方向指向物体恢复形变的方向。当竖直弹簧的下端挂上钩码时,弹簧被拉长而发生形变,产生向上的弹力。由二力平衡条件可知,钩码静止时,弹簧的弹力等于钩码的重力。当钩码的重力增大时,弹簧的弹力也将相应地增大,故弹簧伸长量更大。所以,研究弹簧的弹力与弹簧伸长量之间的关系,可以转移到研究弹簧的伸长量与所挂钩码的重力的关系。实验中,在不超出弹簧的弹性限度的情况下,不断改变悬挂钩码的重力,得到若干组弹簧的弹力F(等于钩码的重力)与弹簧伸长量x的值。将每组值在F-x图上画出一个相应的点,分析这些点所组成的图线,就可以找出弹簧的弹力与弹簧伸长量之间的关系。实验器材铁架台、弹簧、钩码、刻度尺、坐标纸等。实验步骤1.将铁架台在水平实验桌上放稳,将金属横杆水平固定在铁架台上。2.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。3.如图所示,在弹簧下端挂质量为m1的钩码,量出此时弹簧的长度l1,记录m1和l1,并得出弹簧的伸长x1。4.改变所挂钩码的质量,量出对应的弹簧长度,记录m2、m3、m4、m5…和相应的弹簧长度l2、l3、l4、l5…并得出每次弹簧的伸长量x2、x3、x4、x5…钩码质量弹簧长度弹簧伸长量x弹力F0l0=00m1l1=x1=l1-l0F1=m2l2=x2=l2-l0F2=m3l3=x3=l3-l0F3=︙︙︙︙5.以弹力F(大小等于所挂钩码的重力)为纵坐标,以弹簧的伸长量x为横坐标,用描点法作图。连接各点,得出弹力F随弹簧伸长量x变化的图线。6.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。7.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。误差分析1.钩码标值不准确,弹簧长度测量不准确带来误差。2.画图时描点及连线不精确也会带来误差。注意事项1.所挂钩码不要过重,以免弹簧被过分拉伸,超出它的弹性限度。要注意观察,适可而止。2.每次所挂钩码的质量差尽量大一些,从而使坐标上描的点尽可能稀,这样作出的图线更精确。3.测弹簧长度时,一定要在弹簧竖直悬挂且处于平衡状态时测量,以免增大误差。4.描点画线时,所描的点不一定都落在一条图线上,但应注意一定要使各点均匀分布在图线的两侧。5.要使用轻质弹簧,且要尽量多测几组数据。6.记录数据时要注意弹力与弹簧伸长量的对应关系及单位。7.要认识系数k的物理意义,即在伸长量一定时,k越大,弹力也越大,它反映了弹簧的“度”。如果用另一个弹簧重做这个实验,比较两个弹簧的结果会更好地认识这一点。如果实验中作图时不用弹簧的伸长量而用弹簧的长度,得到的不是正比例函数,关系较为复杂,因此最好用弹簧的伸长量。如果弹簧伸长量的单位用米,力的单位用牛,函数表达式中常数的单位是牛每米,即N/m。 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1. 答案AB本实验应以需要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,以改变对弹簧的拉力,来探究弹力与弹簧伸长的关系,A、B正确;C选项弹簧伸长量应为加钩码后长度减去弹簧原长,D项中应用同一根弹簧,C、D错误。2.某同学在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中,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L-L0作为弹簧的伸长长度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 () 2. 答案C弹簧竖直悬挂起来,由于受重力,会伸长,所以F=0时,伸长量x0,故C对。3.某同学在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中,设计了如图所示的实验装置。所用的钩码质量都是30g,他先测出不挂钩码时弹簧的自然长度,然后再将5个钩码逐个挂在弹簧的下端,每次都测出相应的弹簧总长度,将数据填在了下面的表中。(弹力始终未超过弹性限度,g取9.8m/s2)钩码质量/g0306090120150弹簧总长/cm6.007.158.349.4810.6411.79弹力大小/N(1)完成上面表格,再根据这些实验数据在下面的坐标系中作出弹簧所受弹力大小F跟弹簧总长L之间的函数关系图像,说明图线跟横轴交点的横坐标的物理意义:。 (2)上一问所得图线的物理意义是:,该弹簧的劲度系数k=。3. 答案(1)表格及图像见解析表示弹簧的原长(2)弹簧弹力大小和弹簧伸长量大小成正比25.4N/m 解析(1)弹力的大小等于钩码所受的重力,即F=mg。钩码质量/g0306090120150弹簧总长/cm6.007.158.349.4810.6411.79弹力大小/N00.2940.5880.8821.1761.470根据实验数据在坐标系中描出的点,基本上在同一条直线上。可以判定F和L间是一次函数关系。画一条直线,使尽可能多的点落在这条直线上,不在直线上的点均匀地分布在直线两侧。函数关系图像如图所示。该图线跟横轴交点的横坐标表示弹簧的原长。 (2)图线的物理意义是弹簧弹力大小和弹簧伸长量大小成正比。由此可得k= =25.4N/m。FL123456F/N00.981.962.943.924.90l/cm15.0016.0017.1018.0018.9020.00x/cm01.002.103.003.905.00典例1某同学在做“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中,弹簧的弹力用F表示,弹簧未挂钩码时的长度用l0表示,弹簧挂上钩码后的长度用l表示,弹簧的伸长量用x表示,x=l-l0,该同学记录的数据如下表:(1)根据这些数据作出F-x图像和F-l图像。(2)根据图像得到的结论是。(3)尝试写出F和x的数值关系表达式,并解释表达式中常数的物理意典例剖析 解析(1)如图所示 (2)F随l的增大而均匀增大,但不成正比,只是一次函数关系,但F与x成正比。(3)F=kx。因为k= =98N/m,故F=98x,k=98N/m的物理意义是:要使该弹Fx簧伸长1m,必须沿弹簧方向施加98N的力。 答案见解析典例2如图甲所示,用铁架台、弹簧和多个已知质量且质量相等的钩码,探究在弹性限度内弹簧弹力与弹簧伸长长度的关系。 (1)为完成实验,还需要的实验器材有:;(2)实验中需要测量(记录)的物理量有:;(3)图乙是弹簧所受弹力F与弹簧伸长长度x的F-x图像,由此可求出弹簧的劲度系数为N/m。图线不过原点的原因是。 解析(1)因需测弹簧长度,故还需要刻度尺;(2)需要测量(记录)的物理量有弹簧的原长、悬挂钩码的个数以及与弹力(外力)对应的弹簧长度;(3)根据胡克定律,在F-x图像中,k= ,解得k=200N/m;图线不过原点,原因是实验中没有考虑(或忽略了)弹簧的自重或在弹簧没有处于竖直悬挂状态时测量它的原长。Fx 答案(1)刻度尺(2)弹簧原长、悬挂钩码的个数以及与弹力对应的弹簧长度(3)200忽略弹簧的自重或在弹簧没有处于竖直悬挂时测量它的原长典例3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,然后将毫米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50g的钩码时,指针指示的刻度数值记作L1;弹簧下端挂两个50g的钩码时,指针指示的刻度数值记作L2……挂七个50g的钩码时,指针指示的刻度数值记作L7。①下表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。代表符号L0L1L2L3L4L5L6L7刻度数值/cm1.703.405.108.6010.312.1 ②实验中,L3和L7两个值还没有记录,请你根据图将这两个测量值填入记录表中。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:d1=L4-L0=6.90cm,d2=L5-L1=6.90cm,d3=L6-L2=7.00cm。请你给出第四个差值:d4==cm。④根据以上差值,可以求出每增加一个50g钩码时弹簧的平均伸长量ΔL,ΔL用d1、d2、d3、d4表示的式子为:ΔL=,代入数据解得ΔL=cm。⑤弹簧的劲度系数k=N/m。(g取9.8m/s2)cm=7.20cm。④每增加4个钩码弹簧的平均伸长量ΔL1= ,则每增加1个钩码弹簧的平均伸长量ΔL= = ,代入数据求得ΔL=1.75cm。⑤由F=kΔL得k= = = N/m=28N/m。 答案①L5L6②6.85(6.84~6.86)14.05(14.04~14.06)③L7-L37.20(7.18~7.22)④ 1.75⑤2812344dddd14L123416ddddFLmgL3250109.81.7510123416dddd⑤弹簧的劲度系数k=N/m。(g取9.8m/s2) 解析①L5、L6两组数据在读数时均没有估读。②由图可读出L3=6.85cm,L7=14.05cm。③题中三组数据都是求多挂4个钩码形成的长度差,故d4=L7-L3=(14.05-6.85)