2020届高考物理总复习 第2章 相互作用 实验二 探究弹力和弹簧伸长的关系课件 教科版

实验二探究弹力和弹簧伸长的关系实验基础核心探究实验基础解读实验·萃取精华●注意事项1.对钩码的要求(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.(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.2.测量与记录数据(1)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.(2)记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位.3.画图像描点画线时,所描的点不一定都落在一条线上,但应注意一定要使尽可能多的点落在线上,其余各点均匀分布在线的两侧.●误差分析1.弹簧测力计本身不够准确造成系统误差.2.弹簧测力计读数和作图不准造成偶然误差.核心探究通法悟道·拓宽思路探究点一基础性实验【典例1】(2018·安徽舒城检测)在探究“弹力和弹簧伸长的关系”时,小明同学用如图(甲)所示的实验装置进行实验:将该弹簧竖直悬挂,在自由端挂上砝码盘,通过改变盘中砝码的质量,用刻度尺测出弹簧对应的长度,测得实验数据如下:实验次数123456砝码质量m/g0306090120150弹簧的长度x/cm6.007.148.349.4810.6411.79(1)小明同学根据实验数据在坐标纸上用描点法画出x-m图像如图(乙)所示,根据图像他得出结论:弹簧弹力与弹簧伸长量不是正比例关系,而是一次函数关系.他结论错误的原因是.(2)作出的图线与坐标系纵轴有一截距,其物理意义是,该弹簧的劲度系数k=N/m.(取g=10m/s2,保留3位有效数字)解析:(1)在x-m图像中,x表示弹簧的长度而不是弹簧的伸长量,故他得出弹簧弹力与弹簧伸长量不是正比例关系而是一次函数关系的错误结论.(2)图线与纵坐标的交点表示未放砝码时弹簧的长度.图线的斜率表示弹簧的劲度系数,k=Fx=21.5011.836.0010N/m=25.7N/m.答案:(1)x-m图像的纵坐标不是弹簧的伸长量(2)未加砝码时弹簧的长度25.7(3)请你判断该同学得到的实验结果与考虑砝码盘的质量相比,结果(填“偏大”“偏小”或“相同”).解析:(3)根据公式F=kΔx计算出的劲度系数,与是否考虑砝码盘的质量没有关系,故结果相同.答案:(3)相同方法技巧(1)在F-x图像中,无论x表示弹簧长度还是表示弹簧伸长量,图线的斜率都表示弹簧的劲度系数.(2)弹簧竖直悬挂时的原长l0′比水平放置时的原长l0要长,原因是由于弹簧自身重力的影响.题组冲关1.为了探索弹力和弹簧伸长量的关系,小明同学利用如图(a)所示装置,选了甲、乙两根规格不同的弹簧进行测试.(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(填“水平”或“竖直”)方向.(2)根据测得的数据绘出如图(b)所示图像,图像不过坐标原点的原因是,图像上端成曲线的原因是.解析:(1)弹簧受砝码竖直方向的拉力,所以测量弹簧的长度时,为减小误差,弹簧轴线和刻度尺都应在竖直方向.(2)由题图看出,在不挂钩码的情况下两弹簧均有2×10-2m的伸长量,说明两弹簧重力不能忽略,在自身重力作用下有一定的伸长量.由胡克定律可知,在弹性限度内,弹簧弹力的大小F与其伸长(或压缩)的长度x成正比,因此,题图中图像上端成曲线说明弹簧已经超出了弹性限度.答案:(1)竖直(2)弹簧有自身重力已超过弹簧的弹性限度(3)若将重为2N的物体分别挂在两弹簧的下端,则弹簧甲的伸长量为m,弹簧乙的伸长量为m.解析:(3)由图可知,当钩码重量为2N时,对应的纵坐标分别为5cm和3cm,所以弹簧甲的伸长量为5×10-2m,乙的伸长量为3×10-2m.答案:(3)5×10-23×10-22.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)实验中还需要的测量工具有.解析:(1)实验中还需要的测量工具有:毫米刻度尺.答案:(1)毫米刻度尺解析:(2)由题图(乙)得k=Fx=3250109.81010210N/m=4.9N/m.由题图(乙)可知,当m=0(F=0)时,x大于零,说明没有挂重物时,弹簧有伸长,是由于弹簧自身受重力造成的.故图线不过原点的原因是弹簧有自重,实验中没有考虑(或忽略了)弹簧的自重.(2)如图(乙)所示,根据实验数据绘图,纵轴是钩码质量m,横轴是弹簧的形变量x.由图(乙)可知,图线不通过原点的原因是;弹簧的劲度系数k=N/m(计算结果保留两位有效数字,重力加速度g取9.8m/s2).答案:(2)弹簧自身受重力4.9(3)如图(丙)所示,实验中用两根不同的弹簧a和b,画出弹簧弹力F与弹簧长度L的F-L图像.下列说法正确的是.A.a的原长比b的长B.a的劲度系数比b的大C.a的劲度系数比b的小D.弹力与弹簧长度成正比解析:(3)在题图(丙)中,横截距表示弹簧的原长,故b的原长比a的长,故选项A错误;图线的斜率表示弹簧的劲度系数k,故a的劲度系数比b的大,故选项B正确,C错误;弹簧的弹力满足胡克定律,弹力与弹簧的形变量成正比,故选项D错误.答案:(3)B探究点二创新性实验高考创新实验例析【典例2】(2014·全国Ⅱ卷,23)某实验小组探究弹簧的劲度系数k与其长度(圈数)的关系.实验装置如图(a)所示:一均匀长弹簧竖直悬挂,7个指针P0,P1,P2,P3,P4,P5,P6分别固定在弹簧上距悬点0,10,20,30,40,50,60圈处;通过旁边竖直放置的刻度尺,可以读出指针的位置,P0指向0刻度.设弹簧下端未挂重物时,各指针的位置记为x0;挂有质量为0.100kg的砝码时,各指针的位置记为x.测量结果及部分计算结果如下表所示(n为弹簧的圈数,取重力加速度为9.80m/s2).已知实验所用弹簧总圈数为60,整个弹簧的自由长度为11.88cm.P1P2P3P4P5P6x0(cm)2.044.066.068.0510.0312.01x(cm)2.645.267.8110.3012.9315.41n102030405060k(N/m)163①56.043.633.828.8(m/N)0.0061②0.01790.02290.02960.03471k(1)将表中数据补充完整:①,②.解析:(1)k=20.1009.85.264.0610N/m=20.981.2010N/m≈81.7N/m,1k≈0.0122m/N.答案:(1)81.70.0122(2)以n为横坐标,1k为纵坐标,在图(b)给出的坐标纸上画出1kn图像.解析:(2)根据实验数据描点,并用一条直线将这些点连接起来即可.如图所示.答案:(2)见解析(3)图(b)中画出的直线可近似认为通过原点.若从实验中所用的弹簧截取圈数为n的一段弹簧,该弹簧的劲度系数k与其圈数n的关系的表达式为k=N/m;该弹簧的劲度系数k与其自由长度l0(单位为m)的关系的表达式为k=N/m.解析:(3)由图像上取两点即可求得k=31.7510nN/m,而0nl=26011.8810m,解得k=03.47lN/m.答案:(3)31.7510n（在31.6710n～31.8310n之间均可）03.47l（在03.31l～03.62l之间均可）【创新/改进点分析】1.实验方案的创新:探究弹簧劲度系数与其长度(圈数)的关系,不考查操作,只考查思路和数据处理.2.数据处理的创新:建立1k-n图像,由图像斜率的具体值得到k与n的关系式.3.设问方式的创新:由胡克定律求得k和1k的具体值,由1k-n图像求得k与n的关系式和k与l0的关系式.模拟创新实验冲关1.(2018·湖南益阳调研)弹簧的弹力与其形变量遵循胡克定律.其实橡皮筋也像弹簧一样,在弹性限度内伸长量x与弹力F成正比,即F=kx,其中k是一个比例系数,类似于弹簧的劲度系数,k的值与橡皮筋未受到拉力时的长度L、横截面积S有关.理论与实验都表明k=,其中Y是由材料决定的常数,材料力学中称之为杨氏模量.(1)物理公式能够反映物理量的单位关系,则在国际单位制中,杨氏模量Y的单位应该是.A.NB.mC.N/mD.N/m2YSL解析:(1)由F=kx可知k的单位为N/m,由k=YSL,可得Y=kLS,又知L的单位为m,S的单位为m2,则Y的单位为Nm·2mm=N/m2,故选D.答案:(1)D(2)有一段横截面是圆形的橡皮筋,用螺旋测微器测量它的直径如图(甲)所示,则读数为mm.(3)通过实验测得该橡皮筋的一些数据,并作出了外力F与伸长量x之间的关系图像如图(乙)所示.图像中图线发生弯曲的原因是.解析:(2)橡皮筋直径d=2.5mm+0.01×4.4mm=2.544mm.(3)图像中图线发生弯曲,说明橡皮筋受力超出其弹性限度,不再遵循伸长量x与弹力F成正比的规律.答案:(2)2.544(3)橡皮筋受力超出其弹性限度【创新/改进点分析】1.实验方案的创新:研究橡皮筋的弹力与伸长量x之间的关系.2.设问方式的创新:提出了影响橡皮筋的劲度系数的规律,借此考查单位制和螺旋测微器的读数方法.2.(2017·江西南昌一模)某物理实验小组在探究弹簧的劲度系数k与其原长l0的关系实验中,按如图所示安装好实验装置,让刻度尺零刻度与轻质弹簧上端平齐,在弹簧上安装可移动的轻质指针P,实验时的主要步骤是:①将指针P移到刻度尺l01=5cm处,在弹簧挂钩上挂上200g的钩码,静止时读出指针所指刻度并记录下来;②取下钩码,将指针P移到刻度尺l02=10cm处,在弹簧挂钩上挂上250g的钩码,静止时读出指针所指刻度并记录下来;③取下钩码,将指针P移到刻度尺l03=15cm处,在弹簧挂钩上挂上50g的钩码,静止时读出指针所指刻度并记录下来……重复进行,每次都将指针P下移5cm,同时保持挂钩上挂的钩码质量不变.将实验所得数据记录、列表如下:次数弹簧原长l0/cm弹簧长度l/cm钩码质量m/g15.007.23200210.0015.56250315.0016.6750420.0022.2350525.0030.5650根据实验步骤和列表数据,回答下列问题:(1)重力加速度g取10m/s2.在次数3中,弹簧的原长为15cm时,其劲度系数k3=N/m.答案:(1)30解析:(1)弹簧的原长为l03=15cm时,挂钩上挂的钩码质量为50g,所受拉力F3=m3g=0.5N,弹簧长度l3=16.67cm,弹簧伸长x3=l3-l03=1.67cm.根据胡克定律F=kx,解得k3=30N/m.(2)同一根弹簧所取原长越长,弹簧的劲度系数(弹簧处在弹性限度内).A.不变B.越大C.越小D.无法确定答案:(2)C解析:(2)弹簧的原长为l05=25cm时,挂钩上挂的钩码质量为50g,所受拉力F5=m5g=0.5N,弹簧长度l5=30.56cm,弹簧伸长x5=l5-l05=5.56cm.根据胡克定律F=kx,解得k5=9N/m.由此可知,同一根弹簧所取原长越长,弹簧的劲度系数越小,选项C正确.【创新/改进点分析】1.探究内容创新,探究弹簧劲度系数与长度的关系.2实验方法创新,同一弹簧中取不同长度.3.数据处理的创新,由测量数据寻求弹簧劲度系数随长度的变化规律.