2019-2020学年高中物理 第二章 力 实验：探究弹力和弹簧伸长的关系课件 教科版必修1

实验：探究弹力和弹簧伸长的关系01实验认知导学02实验核心解读03典例探究剖析04课后达标检测一、实验目的1．探究弹力与弹簧伸长的关系．2．学会利用图像研究两个物理量之间的关系的方法．二、实验原理1．弹簧的弹力F的测量：弹簧下端悬挂的钩码静止时，弹力大小与所挂钩码的重力大小相等，即F＝mg.2．弹簧的伸长量x的确定：弹簧的原长l0与挂上钩码后弹簧的长度l可以用刻度尺测出，弹簧的伸长量x＝l－l0.3．作出弹簧弹力F与弹簧伸长量x的关系图像，并根据图像分析弹簧弹力和弹簧伸长量的关系．三、实验器材铁架台、弹簧、毫米刻度尺、钩码若干、坐标纸、铅笔等．一、实验步骤1．按图示安装实验装置，记下弹簧下端不挂钩码时弹簧的长度l0.2．在弹簧下悬挂一个钩码，平衡时记下弹簧的总长度，并记下钩码的重力．3．增加钩码的个数，重复上述实验过程，将数据填入表格．以F表示弹力，l表示弹簧的总长度，x＝l－l0表示弹簧的伸长量.个数记录1234567F/Nl/cmx/cm二、数据处理以弹力F为纵坐标轴，分别以弹簧总长度l和弹簧伸长量x为横坐标轴(如图所示)作出F­l图像和F­x图像．作图时首先根据测量数据画出各对数据对应的坐标点，再观察所画各点的分布与走向，然后尝试作出一条平滑的曲线(包括直线)，使该曲线(包括直线)经过尽可能多的点，使剩余的点大致均匀分布在曲线两侧，明显偏离曲线的点应舍去．比较作出的图像，易知F­l图像是一条不过原点的直线，F­x图像是一条过原点的直线，F与x存在最简单的正比关系，因此F­x图像最直观地反映了弹力变化的规律．三、误差分析1．弹簧拉力大小的不稳定会造成误差，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，待稳定后再读数可以提高实验的准确度．2．尽量精确地测量弹簧的长度，也是减小实验误差的基本方法．3．描点、作图不准确也会造成误差．四、注意事项1．所挂钩码不要过重，以免超出弹簧的弹性限度．2．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．3．记录数据时要注意弹力和弹簧伸长量的对应关系及单位．4．描点画线时一定让尽量多的点落在曲线上，不在曲线上的点均匀分布在曲线的两侧．5．尽量选用轻质弹簧以减小弹簧自身重力带来的影响．类型一实验原理与操作[典例1]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量的关系．(1)为完成实验，还需要的测量器材有：_______________________________________.(2)实验中需要测量的物理量有：___________________________________.(3)图乙是弹簧弹力F与弹簧伸长量x的F­x图线，由此可求出弹簧的劲度系数为________N/m.图线不过原点是由于__________________________________________．(4)为完成该实验，设计的实验步骤如下：A．以弹簧伸长量为横坐标，以弹力为纵坐标，描出各组(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对应的刻度l0；C．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把刻度尺；D．依次在弹簧下端挂上1个、2个、3个、4个……钩码，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，写出弹力与伸长量的关系式，首先尝试写成一次函数，如果不行，则考虑二次函数；F．解释函数表达式中常数的物理意义；G．整理仪器．请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来：_______________________________.[解析](1)根据实验原理可知还需要毫米刻度尺来测量弹簧原长和形变量．(2)根据实验原理，实验中需要测量的物理量有弹簧的原长、弹簧所受外力与对应的伸长量(或与弹簧对应的长度)．(3)取图像中(0.5,0)和(3.5,6)两个点，代入ΔF＝kΔx可得k＝200N/m，由于弹簧自身的重力，使得弹簧不加外力时就有形变量．(4)根据完成实验的合理性可知，先后顺序为CBDAEFG.[答案](1)毫米刻度尺(2)弹簧原长、弹簧所受外力与对应的伸长量(或与弹簧对应的长度)(3)200弹簧自身重力(4)CBDAEFG类型二数据处理与分析[典例2]某同学在做“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验时，实验装置如图甲所示，所用钩码每个质量均为30g，他先测出不挂钩码时弹簧的自然长度，再将5个钩码逐个挂在弹簧的下端，每次都测出相应的弹簧总长度，并将数据填在下表中．实验中弹簧始终未超过弹性限度，g取10N/kg.钩码质量(g)0306090120150弹簧总长(cm)6.007.008.009.0010.0011.00(1)试根据实验所得的数据在如图乙所示的坐标系中作出弹簧弹力与弹簧长度之间的函数关系图线．并写出该图线的函数表达式F＝________N.(2)该弹簧的劲度系数k＝________N/m.(3)图线与横轴的交点的物理意义是_______________________________.(4)图线延长后与纵轴的交点的物理意义是__________________________________.[解析](1)描点作图，得出弹簧弹力与其长度关系的图像如图所示．由图像可以得出该图线的函数表达式为F＝(30L－1.8)N.(2)图线的斜率表示弹簧的劲度系数，即k＝30N/m.(3)图线与横轴的交点表示弹簧弹力F＝0时弹簧的长度为6cm，即弹簧的原长为6cm.(4)图线延长后与纵轴的交点表示弹簧长度为5cm时的弹力为0.3N，此时弹簧被压缩了1cm，即表示弹簧被压缩1cm时的弹力为0.3N.[答案](1)图见解析30L－1.8(2)30(3)弹簧的原长为6cm(4)弹簧被压缩1cm时的弹力为0.3N类型三实验创新设计[典例3]在“探究弹簧伸长量与弹力的关系”的实验中，实验装置如图所示．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．(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)由实验描出的点作出F­L图线，如图所示．(2)弹簧的原长L0即为弹力为零时弹簧的长度，由图像可知，L0＝5×10－2m＝5cm.劲度系数为图像的斜率，k＝20N/m.(3)记录数据的表格如表：次数123456弹力F/N弹簧的长度L/(×10－2m)(4)优点在于：避免了弹簧自身重力对实验的影响．缺点在于：弹簧与桌面、绳子与滑轮之间及滑轮与轴之间存在摩擦造成实验误差．[答案]见解析