人教版高考物理一輪復(fù)習(xí)第2章相互作用實驗2探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系課件-課件下載-教習(xí)網(wǎng)

實驗二　探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系一、實驗?zāi)康?．探究彈力和彈簧伸長量的關(guān)系。2．學(xué)會利用圖象法處理實驗數(shù)據(jù)，探究物理規(guī)律。二、實驗原理與要求[基本實驗要求]1．實驗原理彈簧受到拉力作用會伸長，平衡時彈簧產(chǎn)生的彈力和外力大小相等；彈簧的伸長量越大，彈力也就越大。2．實驗器材鐵架臺、彈簧、鉤碼、刻度尺、坐標(biāo)紙。3．實驗步驟(1)安裝實驗儀器(如實驗原理圖所示)。(2)測量彈簧的伸長量(或總長)及所受的拉力(或所掛鉤碼的質(zhì)量)，列表做出記錄，要盡可能多測幾組數(shù)據(jù)。(3)根據(jù)所測數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點，以力為縱坐標(biāo)，以彈簧的伸長量為橫坐標(biāo)。(4)按照在圖中所繪點的分布與走向，嘗試作出一條平滑的曲線(包括直線)，所畫的點不一定正好在這條曲線上，但要注意使曲線兩側(cè)的點數(shù)大致相同。(5)以彈簧的伸長量為自變量，寫出曲線所代表的函數(shù)，首先嘗試一次函數(shù)，如果不行再考慮二次函數(shù)。[規(guī)律方法總結(jié)]1．實驗數(shù)據(jù)處理方法(1)列表法將測得的F、x填入設(shè)計好的表格中，可以發(fā)現(xiàn)彈力F與彈簧伸長量x的比值在誤差允許范圍內(nèi)是相等的。(2)圖象法以彈簧伸長量x為橫坐標(biāo)，彈力F為縱坐標(biāo)，描出F、x各組數(shù)據(jù)相應(yīng)的點，作出的擬合曲線是一條過坐標(biāo)原點的直線。(3)函數(shù)法彈力F與彈簧伸長量x滿足F＝kx的關(guān)系。2．注意事項(1)不要超過彈性限度：實驗中彈簧下端掛的鉤碼不要太多，以免彈簧被過分拉伸，超過彈簧的彈性限度。(2)盡量多測幾組數(shù)據(jù)：要使用輕質(zhì)彈簧，且要盡量多測幾組數(shù)據(jù)。(3)觀察所描點的走向：本實驗是探究性實驗，實驗前并不知道其規(guī)律，所以描點以后所作的曲線是試探性的，只是在分析了點的分布和走向以后才決定用直線來連接這些點的。(4)統(tǒng)一單位：記錄數(shù)據(jù)時要注意彈力及彈簧伸長量的對應(yīng)關(guān)系及單位。3．誤差分析(1)鉤碼標(biāo)值不準(zhǔn)確、彈簧長度測量不準(zhǔn)確帶來誤差。(2)畫圖時描點及連線不準(zhǔn)確也會帶來誤差。命題點一　教材原型實驗　實驗原理與操作[典例1]　如圖甲所示，用鐵架臺、彈簧和多個已知質(zhì)量且質(zhì)量相等的鉤碼探究在彈性限度內(nèi)彈簧彈力與彈簧伸長量的關(guān)系。(1)為完成實驗，還需要的實驗器材有：________。(2)實驗中需要測量的物理量有：____________________________________________________________________________________________。(3)圖乙是彈簧彈力F與彈簧伸長量x的F-x圖象，由此可求出彈簧的勁度系數(shù)為________N/m。圖線不過原點的原因是________________。[解析]　(1)根據(jù)實驗原理可知還需要刻度尺來測量彈簧原長和形變量。(2)根據(jù)實驗原理，實驗中需要測量的物理量有彈簧的原長、彈簧掛不同個數(shù)的鉤碼時所對應(yīng)的伸長量(或?qū)?yīng)的彈簧長度)。(3)取圖象中(0.5 cm,0)和(3.5 cm,6 N)兩個點，代入F＝kx，可得k＝200 N/m，由于彈簧自身存在重力，使得彈簧不加外力時就有形變量。[答案]　(1)刻度尺　(2)彈簧原長、彈簧掛不同個數(shù)的鉤碼時所對應(yīng)的伸長量(或?qū)?yīng)的彈簧長度)　(3)200　彈簧自身存在重力(4)為完成該實驗，設(shè)計的實驗步驟如下：A．以彈簧伸長量為橫坐標(biāo)，以彈力為縱坐標(biāo)，描出各組(x，F(xiàn))對應(yīng)的點，并用平滑的曲線連接起來B．記下彈簧不掛鉤碼時其下端在刻度尺上的刻度l0C．將鐵架臺固定于桌子上，并將彈簧的一端系于橫梁上，在彈簧附近豎直固定一把刻度尺D．依次在彈簧下端掛上1個、2個、3個、4個……鉤碼，并分別記下鉤碼靜止時彈簧下端所對應(yīng)的刻度，并記錄在表格內(nèi)，然后取下鉤碼E．以彈簧伸長量為自變量，寫出彈力與彈簧伸長量的關(guān)系式，首先嘗試寫成一次函數(shù)，如果不行，則考慮二次函數(shù)F．解釋函數(shù)表達式中常數(shù)的物理意義G．整理儀器請將以上步驟按操作的先后順序排列出來：_____________。[解析]　(4)根據(jù)完成實驗的合理性可知先后順序為CBDAEFG。[答案]　　(4)CBDAEFG規(guī)律方法實驗操作中兩個應(yīng)注意的問題 (1)測彈簧長度時，一定要在彈簧和鉤碼靜止后再測量，這樣彈簧彈力與鉤碼的重力相等。(2)所掛鉤碼不要過重，以免超出彈簧的彈性限度?！　?數(shù)據(jù)處理與分析[典例2]　圖甲為某同學(xué)用力傳感器去探究彈簧的彈力和伸長量的關(guān)系的實驗情境。用力傳感器豎直向下拉上端固定于鐵架臺的輕質(zhì)彈簧，讀出不同拉力下的標(biāo)尺刻度x及拉力大小F(從電腦中直接讀出)。所得數(shù)據(jù)記錄在下列表格中： (1)從圖乙讀出刻度尺上的刻度值為________ cm。(2)根據(jù)所測數(shù)據(jù)，在圖丙坐標(biāo)紙上作出F與x的關(guān)系圖象。(3)由圖象求出該彈簧的勁度系數(shù)為________ N/m，彈簧的原長為________ cm。(均保留三位有效數(shù)字) [解析]　(1)由題圖乙可知，刻度尺的最小分度值為0.1 cm，故讀數(shù)為63.60 cm。(2)根據(jù)表中數(shù)據(jù)利用描點法得出對應(yīng)的圖象如圖所示。答案：(1)63.60　(2)圖見解析　(3)25.0　55.2命題點二　實驗創(chuàng)新設(shè)計 ? 　實驗器材創(chuàng)新[典例3]　(2021·云南昆明模擬)在探究彈簧的彈力與伸長量之間關(guān)系的實驗中，所用裝置如圖甲所示，將輕彈簧的一端固定，另一端與力傳感器連接，其伸長量通過刻度尺測得。某同學(xué)的實驗數(shù)據(jù)列于下表中：(1)以x為橫坐標(biāo)、F為縱坐標(biāo)，在圖乙的坐標(biāo)紙上描繪出能正確反映這一彈簧的彈力與伸長量之間關(guān)系的圖線。(2)由圖線求得這一彈簧的勁度系數(shù)為________。(保留三位有效數(shù)字)[答案]　(1)圖見解析　(2)75.0 N/m創(chuàng)新評價本題的創(chuàng)新點體現(xiàn)在兩處，一是彈簧水平放置，消除了彈簧自身重力對實驗的影響；二是應(yīng)用拉力傳感器顯示拉力的大小，減少了讀數(shù)誤差，使實驗數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。　實驗設(shè)計創(chuàng)新[典例4]　某實驗小組探究彈簧的勁度系數(shù)k與其長度(圈數(shù))的關(guān)系。實驗裝置如圖(a)所示：一均勻長彈簧豎直懸掛，7個指針P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6分別固定在彈簧上距懸點0、10、20、30、40、50、60圈處；通過旁邊豎直放置的刻度尺，可以讀出指針的位置，P0指向0刻度。設(shè)彈簧下端未掛重物時，各指針的位置記為x0；掛有質(zhì)量為0.100 kg的砝碼時，各指針的位置記為x。測量結(jié)果及部分計算結(jié)果如下表所示(n為彈簧的圈數(shù)，取重力加速度為9.80 m/s2)。已知實驗所用彈簧總?cè)?shù)為60，整個彈簧的自由長度為11.88 cm。(b)[答案]　(1)①81.7?、?.012 2(2)如圖所示(3)圖(b)中畫出的直線可近似認(rèn)為通過原點。若從實驗中所用的彈簧截取圈數(shù)為n的一段彈簧，該彈簧的勁度系數(shù)k與其圈數(shù)n的關(guān)系的表達式為k＝________ N/m；該彈簧的勁度數(shù)k與其自由長度l0(單位為m)的關(guān)系的表達式為k＝________ N/m。實驗情景創(chuàng)新[典例5]　某物理學(xué)習(xí)小組用如圖甲所示裝置來研究橡皮筋的勁度系數(shù)(遵循胡克定律且實驗中彈力始終未超過彈性限度)，將一張白紙固定在豎直放置的木板上，原長為L0的橡皮筋的上端固定在O點，下端N掛一重物。用與白紙平行的水平力(由拉力傳感器顯示其大小)作用于N點，靜止時記錄下N點的位置a。請回答：甲　　　　　　　乙(1)若拉力傳感器顯示的拉力大小為F，用刻度尺測量橡皮筋ON的長為L及N點與O點的水平距離為x，則橡皮筋的勁度系數(shù)為__________(用所測物理量表示)。(2)若換用另一個原長相同的橡皮筋，重復(fù)上述過程，記錄靜止時N點的位置b，發(fā)現(xiàn)O、a、b三點剛好在同一直線上，其位置如圖乙所示，則下列說法正確的是________________。A．第二次拉力傳感器顯示的拉力示數(shù)較大B．兩次拉力傳感器顯示的拉力示數(shù)相同C．第二次所用的橡皮筋的勁度系數(shù)小D．第二次所用的橡皮筋的勁度系數(shù)大(2)由受力圖知F＝Gtan θ，兩次中G、θ均相同，所以兩次拉力傳感器顯示的拉力示數(shù)相同，A錯，B對；同理，兩次橡皮筋的拉力也相同，而橡皮筋的原長相同，第二次的伸長量大，由胡克定律知第二次所用的橡皮筋的勁度系數(shù)小，C對，D錯。創(chuàng)新評價本題的創(chuàng)新點體現(xiàn)在新情景設(shè)計上，實驗中由測橡皮筋勁度系數(shù)替代了測彈簧勁度系數(shù)，由根據(jù)物體平衡問題的處理替代長度和彈力的測量，很好地體現(xiàn)了知識的遷移與拓展?！?．(2021·福建莆田高三9月月考)某同學(xué)利用如圖甲所示的裝置做“探究彈簧彈力大小與其長度的關(guān)系”的實驗。(1)在安裝刻度尺時，必須使刻度尺保持________狀態(tài)。(2)他通過實驗得到如圖乙所示的彈力大小F與彈簧長度x的關(guān)系圖象。由此圖象可得該彈簧的原長x0＝______cm，勁度系數(shù)k＝________N/m。(3)他又利用本實驗原理把該彈簧做成一把彈簧測力計，當(dāng)彈簧測力計上的示數(shù)如圖丙所示時，該彈簧的長度x＝________cm。答案：(1)豎直　(2)4　50　(3)102.如圖(a)，一彈簧上端固定在支架頂端，下端懸掛一托盤；一標(biāo)尺由游標(biāo)和主尺構(gòu)成，主尺豎直固定在彈簧左邊；托盤上方固定有一能與游標(biāo)刻度線準(zhǔn)確對齊的裝置，簡化為圖中的指針。現(xiàn)要測量圖(a)中彈簧的勁度系數(shù)。當(dāng)托盤內(nèi)沒有砝碼時，移動游標(biāo)，使其零刻度線對準(zhǔn)指針，此時標(biāo)尺讀數(shù)為1.950 cm；當(dāng)托盤內(nèi)放有質(zhì)量為0.100 kg的砝碼時，移動游標(biāo)，再次使其零刻度線對準(zhǔn)指針，標(biāo)尺示數(shù)如圖(b)所示，其讀數(shù)為________cm。當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮?.80 m/s2，此彈簧的勁度系數(shù)為________N/m(保留三位有效數(shù)字)。答案：3.775　53.73．某同學(xué)探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系。(1)將彈簧懸掛在鐵架臺上，將刻度尺固定在彈簧一側(cè)。彈簧軸線和刻度尺都應(yīng)在________(選填“水平”或“豎直”)方向。(2)彈簧自然懸掛，待彈簧________時，長度記為L0；彈簧下端掛上砝碼盤時，長度記為Lx；在砝碼盤中每次增加10 g砝碼，彈簧長度依次記為L1至L6。數(shù)據(jù)如表所示：表中有一個數(shù)值記錄不規(guī)范，符號為________。由表可知所用刻度尺的最小分度為________。解析：(1)為保證彈簧的形變只由砝碼和砝碼盤的重力引起，所以彈簧軸線和刻度尺均應(yīng)在豎直方向。(2)彈簧靜止時，才能讀取其長度；表中的數(shù)據(jù)L3與其他數(shù)據(jù)有效數(shù)字位數(shù)不同，所以數(shù)據(jù)L3記錄不規(guī)范，規(guī)范數(shù)據(jù)應(yīng)讀至厘米位的后兩位，精確至mm，所以刻度尺的最小分度為1 mm。答案：(1)豎直　(2)靜止　L3　1 mm　(3)如圖是該同學(xué)根據(jù)表中數(shù)據(jù)作的圖，縱軸是砝碼的質(zhì)量，橫軸是彈簧長度與________(選填“L0”或“Lx”)的差值。(4)由圖可知彈簧的勁度系數(shù)為________N/m；通過圖和表可知砝碼盤的質(zhì)量為________g。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字，重力加速度取9.8 m/s2)答案： (3)Lx (4)4.9　104.甲、乙兩同學(xué)在“探究彈力和彈簧伸長的關(guān)系”時，安裝好實驗裝置，讓刻度尺零刻度線與彈簧上端平齊，在彈簧下端掛1個鉤碼，靜止時彈簧長度為l1，如圖甲所示，圖乙是此時固定在彈簧掛鉤上的指針在刻度尺(最小分度值是1 mm)上位置的放大圖，在彈簧下端分別掛2個、3個、4個、5個相同鉤碼，靜止時彈簧長度分別是l2、l3、l4、l5。(1)由圖乙知刻度尺的讀數(shù)l1＝______cm，若已知每個鉤碼質(zhì)量是50 g，掛3個鉤碼時，彈簧彈力F3＝______N(當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭取10 m/s2)。 (2)甲同學(xué)以彈簧的長度l為橫坐標(biāo)，以鉤碼的重力G為縱坐標(biāo)建立了Gl圖象，如圖丙所示，則由圖知彈簧的原長為_______cm，該彈簧的勁度系數(shù)為_____N/m。 (3)乙同學(xué)先將彈簧平放在桌面上，測出了彈簧的原長l0，并以彈簧的伸長量x＝l－l0為橫坐標(biāo)，以鉤碼的重力G為縱坐標(biāo)作出了G-x圖象，如圖丁所示，則圖線不過原點的原因是____________。答案：(1)11.50　1.50　(2)11.0　100　(3)彈簧自身有重力5．某同學(xué)利用圖甲所示裝置來探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系。設(shè)計的實驗如下：A、B是質(zhì)量均為m0的小物塊，A、B間由輕彈簧相連，A通過輕繩繞過兩個定滑輪與一個輕質(zhì)掛鉤相連。掛鉤上可以掛上不同質(zhì)量的物塊C。物塊B下放置一壓力傳感器。物塊C右邊有一個豎直的直尺，可以測出掛鉤下移的距離。整個實驗中彈簧均處于彈性限度內(nèi)，重力加速度g取9.8 m/s2。實驗操作如下：(1)不懸掛物塊C，讓系統(tǒng)保持靜止，確定掛鉤的位置O，并讀出壓力傳感器的示數(shù)F0。(2)每次掛上不同質(zhì)量的物塊C，用手托住，緩慢釋放。測出系統(tǒng)穩(wěn)定時掛鉤相對O點下移的距離xi，并讀出相應(yīng)的壓力傳感器的示數(shù)Fi。(3)以壓力傳感器示數(shù)為縱坐標(biāo)，掛鉤下移距離為橫坐標(biāo)，根據(jù)每次測量的數(shù)據(jù)，描點作出Fx圖象如圖乙所示。①由圖象可知，在實驗誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為彈簧彈力與彈簧形變量成________(選填“正比”“反比”或“不確定關(guān)系”)；②由圖象可知：彈簧勁度系數(shù)k＝________N/m。答案：(3)①正比　②986．某興趣小組用如圖甲所示實驗裝置完成探究彈簧彈力和彈簧伸長的關(guān)系后做拓展研究。請根據(jù)如下實驗過程，完成相關(guān)實驗內(nèi)容：(1)將輕質(zhì)彈簧懸掛于鐵架臺，測得彈簧原長L0；(2)在彈簧下端拴掛質(zhì)量為m的鉤碼，待系統(tǒng)靜止時，測得彈簧長度L；(3)當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，彈簧的勁度系數(shù)k＝________(用m、g、L0、L表示)；(4)托起鉤碼使彈簧恢復(fù)原長，并由靜止釋放，測得彈簧拉伸的最大長度L′。發(fā)現(xiàn)L′＞L，于是進一步探究彈簧兩次伸長量x0＝L－L0和x＝L′－L0之間的關(guān)系；

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