實驗二 探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系  1.探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系。2.學(xué)會用列表法和圖像法處理實驗數(shù)據(jù)。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。鐵架臺、彈簧、鉤碼、刻度尺、坐標(biāo)紙。1. 安裝實驗儀器(如圖所示)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),列表作出記錄,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(diǎn),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(diǎn)的分布與走向,作出一條平滑的曲線(包括直線),使盡可能多的點(diǎn)落在線上,不能落在線上的點(diǎn)均勻分布在線的兩側(cè),離線較遠(yuǎn)的點(diǎn)舍棄。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)。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.圖像法以彈簧伸長量x為橫坐標(biāo)、彈力F為縱坐標(biāo)建立坐標(biāo)系,描出Fx各組數(shù)據(jù)相應(yīng)的點(diǎn),作出的擬合曲線是一條過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線。1.安裝實驗裝置:要保持刻度尺豎直并靠近彈簧。2.不要超過彈性限度:實驗中彈簧下端掛的鉤碼不要太多,以免超過彈簧的彈性限度。3.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)。4.觀察所描點(diǎn)的走向:不要畫折線。描點(diǎn)畫線時,所描的點(diǎn)不一定都落在一條直線上,但應(yīng)注意不在直線上的點(diǎn)要均勻分布在直線的兩側(cè)。5.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。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(diǎn)及連線不準(zhǔn)確也會帶來誤差。1.彈力的獲得:彈簧豎直懸掛,鉤碼的重力大小等于彈簧的彈力壓力傳感器測彈簧彈力;彈簧水平放置,消除彈簧自重的影響。2.長度的獲得:刻度尺測量游標(biāo)卡尺測量。3.圖像的獲得:根據(jù)測得的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上作圖由傳感器和計算機(jī)輸入數(shù)據(jù)得到圖像。1.將兩個彈簧串聯(lián)并聯(lián)。2.探究彈簧勁度系數(shù)與彈簧長度、粗細(xì)的關(guān)系。                      考點(diǎn)1  實驗原理與實驗操作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xF-x圖像,由此可求出彈簧的勁度系數(shù)為________N/m。圖線不過原點(diǎn)的原因是__________________________。(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(xF)對應(yīng)的點(diǎn),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l0;C.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……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(dá)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:________。嘗試解答 (1)毫米刻度尺 (2)彈簧原長、彈簧所受外力與對應(yīng)的伸長量(或與彈簧對應(yīng)的長度)  (3)200 彈簧自身存在重力 (4)CBDAEFG。(1)根據(jù)實驗原理可知,還需要毫米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、彈簧所受外力與對應(yīng)的伸長量(或與彈簧對應(yīng)的長度)。(3)取圖像中(0.5,0)(3.5,6)兩個點(diǎn),代入ΔFkΔx可得k200 N/m。由于彈簧自重的原因,使得彈簧不掛鉤碼時就有形變量。(4)根據(jù)完成實驗的合理性可知先后順序為CBDAEFG。[變式1] (2020·湖北省三校——荊州中學(xué)、宜昌一中、龍泉中學(xué)高三上聯(lián)考)某實驗小組用如圖所示的裝置測量彈簧的勁度系數(shù)k。每當(dāng)掛在彈簧下端的鉤碼(每個鉤碼質(zhì)量m50 g)處于靜止?fàn)顟B(tài)時,用刻度尺測出對應(yīng)的彈簧長度L(彈簧始終在彈性限度內(nèi)),列表記錄如下:所掛鉤碼個數(shù)n123456L(cm)10.18 13.0914.5816.0817.54(1)表格中第二組數(shù)據(jù)的彈簧長度如圖所示,則彈簧長度為________ cm。(2)用所學(xué)知識盡量精確地計算出彈簧的勁度系數(shù)k________ N/m。(g9.8 m/s2,結(jié)果保留三位有效數(shù)字)答案 (1)11.60(11.5811.62均正確)(2)33.1解析 (1)刻度尺的分度值為0.1 cm,所以彈簧的長度為11.60 cm。(2)根據(jù)逐差法求得每增加一個鉤碼彈簧伸長的長度平均值為:ΔL1.48 cm,根據(jù)mgkΔL可知該彈簧的勁度系數(shù):k33.1 N/m。考點(diǎn)2  數(shù)據(jù)處理與誤差分析2 (2020·福建省師范大學(xué)附屬中學(xué)高三上學(xué)期期中)一個實驗小組做探究彈簧彈力與彈簧伸長關(guān)系的實驗。(1)甲采用如圖a所示裝置,質(zhì)量不計的彈簧下端掛一個小盤,在小盤中增添砝碼,改變彈簧的彈力,實驗中作出小盤中砝碼重力隨彈簧伸長量x變化的圖像如圖b所示。(重力加速度g10 m/s2)利用圖b中圖像,可求得該彈簧的勁度系數(shù)為________ N/m。利用圖b中圖像,可求得小盤的質(zhì)量為________ kg,小盤的質(zhì)量會導(dǎo)致彈簧勁度系數(shù)的測量結(jié)果與真實值相比________(選填偏大”“偏小相同)。(2)為了制作一個彈簧測力計,乙同學(xué)選了A、B兩根規(guī)格不同的彈簧進(jìn)行測試,根據(jù)測得的數(shù)據(jù)繪出如圖c所示的圖像,為了制作一個量程較大的彈簧測力計,應(yīng)選彈簧________(“A”“B”);為了制作一個精確度較高的彈簧測力計,應(yīng)選彈簧________(“A”“B”)。嘗試解答 (1)200__0.1 相同 2)B A(1)由圖b中圖像可知,彈簧的勁度系數(shù):k N/cm2 N/cm200 N/m由圖b中圖像可知:mgkx1,解得小盤質(zhì)量:m kg0.1 kg;應(yīng)用圖像法處理實驗數(shù)據(jù),小盤的質(zhì)量不會影響彈簧勁度系數(shù)的測量結(jié)果,即測量結(jié)果與真實值相同。(2)由圖c可知,彈簧A所受拉力超過4 N則超過彈性限度,彈簧B所受拉力超過8 N則超過彈性限度,故為了制作一個量程較大的彈簧測力計,應(yīng)選彈簧B;由圖c可知,在相同拉力作用下,彈簧A的伸長量大,則為了制作一個精確度較高的彈簧測力計,應(yīng)選彈簧A。[變式2] 在探究彈簧彈力和彈簧伸長量的關(guān)系的實驗中。(1)某同學(xué)使用兩條不同的輕質(zhì)彈簧ab,得到彈簧彈力與彈簧長度的圖像如圖所示。下列表述正確的是________Aa的原長比b的長Ba的勁度系數(shù)比b的大Ca的勁度系數(shù)比b的小D.測得的彈簧彈力與彈簧的長度成正比(2)為了測量某一彈簧的勁度系數(shù),將該彈簧豎直懸掛起來,在自由端掛上不同質(zhì)量的鉤碼。實驗測出了鉤碼質(zhì)量m與彈簧長度l的相應(yīng)數(shù)據(jù),其對應(yīng)點(diǎn)已在圖上標(biāo)出。作出m-l的關(guān)系圖線。彈簧的勁度系數(shù)為________ N/m(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。(3)若懸掛的鉤碼的質(zhì)量比所標(biāo)數(shù)值偏小些,則實驗測得的彈簧的勁度系數(shù)比實際勁度系數(shù)偏________。答案 (1)B(2)圖線如圖所示 0.255(0.2480.262均正確)(3)解析 (1)F-l圖像中,圖線與l軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)表示彈簧原長,故a的原長比b的短,A錯誤;題圖圖線的斜率表示彈簧的勁度系數(shù),所以a的勁度系數(shù)比b的大,B正確,C錯誤;由于圖像沒有通過原點(diǎn),彈簧的長度等于原長加變化量,彈力和彈簧的長度不成正比,D錯誤。(2)由胡克定律Fkx得:kg·k0.255 N/m。(3)因鉤碼所標(biāo)數(shù)值比實際質(zhì)量偏大,且所用鉤碼越多,偏差越大,因此所作出的m-l圖線比實際情況下的圖線斜率大,測得的勁度系數(shù)偏大。考點(diǎn)3  實驗拓展與創(chuàng)新3 (2020·安徽省全國示范高中高三10月聯(lián)考)某同學(xué)用如圖甲所示裝置測量一輕彈簧的勁度系數(shù),器材如下:一端有擋板、長為l的光滑木板,一把刻度尺,一個質(zhì)量為m的重物,一待測輕彈簧。實驗步驟如下:(1)將木板水平放置,彈簧的左端固定在擋板上;(2)將重物貼近彈簧右端;(3)將木板的右端緩慢抬高不同的高度,測出彈簧的長度x1、x2……和此時木板右端到水平面的高度h1、h2……。以x為縱軸,________為橫軸,作出的圖像如圖乙所示,其圖像斜率為K。該彈簧的勁度系數(shù)為________,圖像縱軸截距的物理意義是________。嘗試解答 h - 彈簧原長。設(shè)木板與水平面的夾角為θ,彈簧勁度系數(shù)為k,原長為x0,根據(jù)題意,有:mgsinθk(x0x),sinθ,則:xx0h,因此圖乙所示圖像以h為橫軸。又因為K=-,故有:k=-,圖像縱軸的截距的物理意義為x0,即彈簧原長。[變式3] (2020·廣東省深圳市學(xué)調(diào)聯(lián)盟高三第二次調(diào)研)在探究彈力和彈簧伸長的關(guān)系時,某同學(xué)先按圖1對彈簧甲進(jìn)行探究,然后把彈簧甲和彈簧乙并聯(lián)起來按圖2進(jìn)行探究。在彈性限度內(nèi),將質(zhì)量為m50 g的鉤碼逐個掛在彈簧下端,分別測得圖1、圖2中彈簧的長度L1、L2如下表所示。鉤碼個數(shù)1234L1/cm30.0031.0432.0233.02L2/cm29.3329.6529.9730.30已知重力加速度g9.8 m/s2,要求盡可能多地利用測量數(shù)據(jù),計算彈簧甲的勁度系數(shù)k________ N/m(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)。由表中數(shù)據(jù)________(不能)計算出彈簧乙的勁度系數(shù)。答案 49 能解析 分析圖1中,鉤碼數(shù)量和彈簧伸長量的關(guān)系為:每增加一個鉤碼,彈簧長度的增加量ΔL1 cm1 cm,所以彈簧甲的勁度系數(shù)k49 N/m。分析圖2中,每增加一個鉤碼,彈簧長度的增加量ΔL2 cm0.3 cm,即k×0.003 mk×0.003 mmg,m、g已知,k已求出,則可以求出彈簧乙的勁度系數(shù)。                     1(2018·全國卷)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?/span>9.80 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 53.7解析 游標(biāo)卡尺精度為0.05 mm,游標(biāo)卡尺上游標(biāo)第15條刻度線與主尺刻度線對齊,根據(jù)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)規(guī)則,題圖b所示的游標(biāo)卡尺讀數(shù)為3.7 cm15×0.05 mm3.7 cm0.075 cm3.775 cm。托盤中放有質(zhì)量為m0.100 kg的砝碼時,彈簧彈力增加Fmg0.100×9.8 N0.980 N,彈簧伸長量增加x3.775 cm1.950 cm1.825 cm0.01825 m,根據(jù)胡克定律,Fkx,解得此彈簧的勁度系數(shù)k53.7 N/m2(2014·全國卷) 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(diǎn)0、10、20、3040、5060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 P1P2P3P4P5P6x0(cm)2.044.066.068.0510.0312.01x(cm)2.645.267.8110.3012.9315.41n102030405060k(N/m)16356.043.633.828.8(m/N)0.00610.01790.02290.02960.0347(1)將表中數(shù)據(jù)補(bǔ)充完整:________,________。(2)n為橫坐標(biāo),為縱坐標(biāo),在圖b給出的坐標(biāo)紙上畫出 -n的圖象。(3)b中畫出的直線可近似認(rèn)為通過原點(diǎn)。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(dá)式為k________ N/m;該彈簧的勁度系數(shù)k與其自由長度l0(單位為m)的關(guān)系的表達(dá)式為k________ N/m答案 (1)81.7 0.0122 (2) -n圖象如圖所示(3) 解析 (1)由胡克定律有k N/m81.7 N/m,故有0.0122 m/N(2)作圖過程略,圖見答案。(3) -n圖線是一條過原點(diǎn)的直線,由圖可得圖線的斜率5.71×104 m/N,故有5.71×104×n m/N,即k(N/m),由題知,n60l011.88 cm,可知nl0,代入得k(N/m)3(2020·四川省德陽市高三二診)某同學(xué)在研究性學(xué)習(xí)中,利用所學(xué)的知識解決了如下問題:把一開口向右、內(nèi)壁光滑、深度為h0.25 m的小圓筒水平固定在桌面上,同時把一輕彈簧一端固定于小圓筒內(nèi)部左端,沒有外力作用時彈簧的另一端位于筒內(nèi)。如圖甲所示,如果本實驗的長度測量工具只能測量出筒外彈簧的長度l,現(xiàn)要測出彈簧的原長l0和彈簧的勁度系數(shù),該同學(xué)通過改變所掛鉤碼的個數(shù)來改變l,作出F-l圖線如圖乙所示。(1)由此圖線可得出的結(jié)論是____________________。(2)彈簧的勁度系數(shù)為________ N/m,彈簧的原長l0________ m。(3)該同學(xué)實驗時,把彈簧水平放置與彈簧豎直懸掛放置相比較,優(yōu)點(diǎn)在于________________________。答案 (1)在彈性限度內(nèi),彈力的大小和彈簧的伸長量成正比(2)100 0.15(3)可避免彈簧自身所受重力對實驗的影響解析 (1)F-l圖像可知,在彈性限度內(nèi),彈力的大小和彈簧的伸長量成正比。(2)彈簧原長為l0,根據(jù)胡克定律有:Fk(hll0)klk(hl0),由此可知,圖線的斜率表示彈簧的勁度系數(shù),故k N/m100 N/mh0.25 m,當(dāng)l0時,F10 N,將數(shù)據(jù)代入解得:l015 cm0.15 m(3)該同學(xué)實驗時,把彈簧水平放置與彈簧豎直懸掛放置相比較,優(yōu)點(diǎn)在于可避免彈簧自身所受重力對實驗的影響。4(2020·廣東省惠州市高三第二次調(diào)研)橡皮筋也像彈簧一樣,在彈性限度內(nèi),彈力F與伸長量x成正比,即Fkx,k的值與橡皮筋未受到拉力時的長度L、橫截面積S有關(guān),理論與實踐都表明kY,其中Y是一個由材料決定的常數(shù),材料力學(xué)上稱之為楊氏模量。(1)在國際單位制中,楊氏模量Y的單位應(yīng)該是________。AN  B.m C.N/m  D.Pa(2)有一段橫截面是圓形的橡皮筋,應(yīng)用如圖甲所示的實驗裝置可以測量出它的楊氏模量Y的值。作出橡皮筋受到的拉力F與伸長量x的關(guān)系圖像,如圖乙所示,由圖像可求得該橡皮筋的勁度系數(shù)k________ N/m。測得橡皮筋未受拉力時的長度L20.00 cm,直徑D4.000 mm,則這種橡皮筋的Y值等于________(Y的計算值保留一位有效數(shù)字)答案 (1)D (2)312.5 5×106 Pa解析 (1)根據(jù)表達(dá)式kY得:Y,已知k的單位是N/m,L的單位是m,S的單位是m2,所以Y的單位是N/m2,也就是Pa,故A、BC錯誤,D正確。(2)根據(jù)Fkx可知,圖線的斜率表示橡皮筋的勁度系數(shù),由圖像可求出該橡皮筋的勁度系數(shù)為:k N/m312.5 N/m。根據(jù)kY可知:Y Pa5×106 Pa。 

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