《2019年高考物理一轮复习实验二探究弹力和弹簧伸长量的关系教学案.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019年高考物理一轮复习实验二探究弹力和弹簧伸长量的关系教学案.pdf（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、实验二探究弹力和弹簧伸长量的关系 1 探究弹簧的弹力和弹簧伸长量之间的关系 2 验证力的平行四边形定则 3 学会用列表法 图象法等方法处理实验数据 实验目的 1 探究弹力和弹簧伸长的定量关系 2 学会利用列表法 图象法研究物理量之间的关系 实验原理 1 弹簧受力会发生形变 形变的大小与受到的外力有关 沿着弹簧的方向拉弹簧 当形变稳定时 弹 簧产生的弹力与使它发生形变的拉力在数值上是相等的 2 用悬挂法测量弹簧的弹力 运用的正是弹簧的弹力与挂在弹簧下面的钩码的重力相等 3 弹簧的长度可用刻度尺直接测出 伸长量可以由拉长后的长度减去弹簧原来的长度进行计算 这样 就可以研究弹簧的弹力和弹簧伸长量之间
2、的定量关系 即寻求F kx的关系 实验器材 弹簧 毫米刻度尺 铁架台 钩码若干 坐标纸 实验步骤 1 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 2 如图 2 4 1 所示 将已知质量的钩码挂在弹簧的下端 在平衡时测量弹簧的总长度并测出钩码的 重力 填写在记录表格里 1 2 3 4 5 6 7 F N L cm x cm 3 改变所挂钩码的质量 重复前面的实验过程多次 实验数据的处理 1 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 2 以弹簧的伸长量为自变量 写
3、出曲线所代表的函数 首先尝试一次函数 如果不行则考虑二次函数 3 得出弹力和弹簧伸长之间的定量关系 解释函数表达式中常数的物理意义 实验误差的来源 1 弹簧长度的测量误差 2 描点画线的作图误差 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曲线上 但应注意一定要使各点均匀分布在曲线的两侧 5 记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位 方法规律
4、 1 列表法 将测得的F x填入设计好的表格中 可以发现弹力F与弹簧伸长量x的比值在误差允许范围内是相等 的 2 图象法 以弹簧伸长量x为横坐标 弹力F为纵坐标 描出F x各组数据相应的点 作出的拟合曲线 是一条 过坐标原点的直线 3 函数法 弹力F与弹簧伸长量x满足F kx的关系 2 注意事项 1 不要超过弹性限度 实验中弹簧下端挂的钩码不要太多 以免弹簧被过分拉伸 超过弹簧的弹性限 度 2 尽量多测几组数据 要使用轻质弹簧 且要尽量多测几组数据 3 观察所描点的走向 本实验是探究性实验 实验前并不知道其规律 所以描点以后所作的曲线是试 探性的 只是在分析了点的分布和走向以后才决定用直线来连
5、接这些点 4 统一单位 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 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准确也会带来误差 高频考点一实验的基本操作及数据处理 例 1 弹簧的劲度系数与弹簧的材质 弹簧丝的粗细 单位长度内的匝数及弹簧的原长等因素有关 为了探究弹簧劲度系数与弹簧原长的关系 某同学设计了如下实验 1 实验器材 刻度尺 原长约30 cm 的轻弹簧一根 质量适当且相同的钩码5 个 剪刀一把 用来剪 断弹簧 除以上器材外 还需要的器材是 2 简要实验步骤如下 请完成相应填空 a 将轻弹簧A悬挂在铁架台上 用刻度尺测量弹簧的原长L0 b
6、在弹簧的下端挂上钩码 记下钩码的个数n n分别取 1 2 3 4 5 并待钩码静止时测出 计算出弹簧的伸长量x c 改变钩码个数 重复实验步骤b d 将另一根与A完全相同的弹簧剪成长度不同的两段B和C 测出B和C的原长之比为2 1 分别用 B和C代替A重复实验步骤a b c 3 根据实验测量的数据 以所挂钩码个数n为横坐标 以弹簧伸长量x为纵坐标 得到上述A B C 三个弹簧的x n图像如图所示 根据图像可得出的实验结论为 图线A的上部发生弯 曲的原因是 比 图线A的上部发生弯曲的原因是弹簧弹力超过其弹性限度 胡克定律不再成立 答案 1 铁架台 2 弹簧的长度 3 劲度系数与弹簧原长成反比弹簧
7、弹力超过其弹性限度 变式探究 某同学探究弹力与弹簧伸长量的关系 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 方向 填 水 平 或 竖直 2 弹簧自然悬挂 待弹簧 时 长度记为L0 弹簧下端挂上砝码盘时 长度记为Lx 在砝码盘 中每次增加10 g 砝码 弹簧长度依次记为L1至L6 数据如下表 代表符号L0LxL1L2L3L4L5L6 数值 cm 25 3527 3529 3531 3033 435 3537 4039 30 表中有一个数值记录不规范 代表符号为 由表可知所用刻度尺的最小分度为 3 图 1 是该同学根据表中数据作的图 纵轴是砝码的质量 横轴是弹簧长度与
8、 的差值 填 L0 或 Lx 图 1 4 由图可知弹簧的劲度系数为 N m 通过图和表可知砝码盘的质量为 g 结果保留 两位有效数字 重力加速度取9 8 m s 2 解析 1 为保证弹簧的形变只由砝码和砝码盘的重力引起 所以弹簧轴线和刻度尺均应在竖直方向 2 弹簧静止时 记录原长L0 表中的数据L3与其他数据有效数字位数不同 所以数据L3不规范 标准 m k Lx L0 g 4 9 27 35 25 35 10 2 9 8 kg 0 01 kg 10 g 答案 1 竖直 2 静止L31 mm 3 Lx 4 4 9 10 方法技巧 实验数据处理的方法 1 图象法 根据测量数据 在建好直角坐标系的
9、坐标纸上描点 以弹簧的弹力F为纵轴 弹簧的伸长 量x为横轴 根据描点的情况 作出一条经过原点的直线 2 列表法 将实验数据填入表中 研究测量的数据 可发现在实验误差允许的范围内 弹力与弹簧 伸长量的比值是一常数 3 函数法 根据实验数据 找出弹力与弹簧伸长量的函数关系 变式训练 如图1 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 图 1 1 为完成实验 还需要的实验器材有 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F x图线 由此可求出弹簧的劲度系数为 N m 图线 不过原点的原因是由于 4 为完成该实验 设计的实验
10、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 并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 写出弹力与弹簧伸长量的关系式 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 高频考点二数据处理及误差分析 例 2
11、在 探究弹力和弹簧伸长量的关系并测定弹簧的劲度系数 的实验中 实验装置如图7 甲所 示 所挂钩码的重力相当于对弹簧提供了向右的恒定拉力 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 图 7 1 有一个同学通过以上实验测量后把6 组数据在如图乙所示的图象中描点 请作出F L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 优点是 缺点是 答案 1 见解析 2 5 20
12、3 见解析 4 避免弹簧自身所受重力对实验的影响弹簧与桌面及 绳子与滑轮间存在摩擦造成实验误差 解析 1 用平滑的曲线将各点连接起来 如图所示 次数123456 弹力F N 弹簧的长度L 10 2m 弹簧的伸长量x 10 2m 4 优点是避免弹簧自身所受重力对实验的影响 缺点是弹簧与桌面及绳子与滑轮间存在摩擦造成实验误差 变式探究 为了探究弹力F和弹簧伸长量x的关系 某同学选了甲 乙两根规格不同的弹簧进行测 试 根据测得的数据绘出如图4 所示图象 图 4 1 从图象上看 该同学没能完全按照实验要求做 从而使图象上端成为曲线 图象上端成为曲线是因 为 2 甲 乙弹簧的劲度系数分别为 N m 和
13、N m 结果保留三位有效数字 若要制作一个精确 度较高的弹簧测力计 应选弹簧 填 甲 或 乙 3 从上述数据和图线中分析 请对这个研究课题提出一个有价值的建议 答案 1 弹簧的形变量超过其弹性限度 2 66 7 200 甲 3 见解析 要制作一个精确度较高的弹簧测力计 应选用在一定的外力作用时 弹簧的形变量大的弹簧 故选弹 簧甲 3 建议 实验中钩码不能挂太多 以保证弹簧的形变量在弹性限度内 高频考点三拓展创新实验 以本实验为背景 通过改变实验条件 实验仪器设置题目 不脱离教材而又不拘泥教材 体现开放性 探究性等特点 视角 1 可能对实验方案进行改进 将弹簧水平放置或穿过一根水平光滑的直杆 在
14、水平方向做实验 视角 2 对实验器材的改进 图 4 利用计算机及传感器技术 将弹簧水平放置 且一端固定在传感器上 传感器与电脑相连 对弹簧 施加变化的作用力 拉力或推力 时 电脑上得到弹簧弹力和弹簧形变量的关系图象 如图4 所示 分析图 象得出结论 例 3 在探究弹簧的弹力与伸长量之间关系的实验中 所用装置如图5 甲所示 将轻弹簧的一端固定 另一端与力传感器连接 其伸长量通过刻度尺测得 某同学的实验数据列于表中 伸长量x 10 2 m 2 004 006 008 0010 00 弹力F N1 502 934 555 987 50 1 以x为横坐标 F为纵坐标 在图乙的坐标纸上描绘出能正确反映这
15、一弹簧的弹力与伸长量间的关 系图线 2 由图线求得这一弹簧的劲度系数为 保留三位有效数字 图 5 解析 1 根据所给的数据描点连线 如答图所示 2 根据胡克定律F kx可知 在F x图象中 图线的斜率大小等于弹簧的劲度系数 即k 75 0 N m 答案 1 如图所示 2 75 0 N m 74 0 76 0 N m 均正确 变式训练 在 探究弹簧弹力的大小与弹簧的伸长量的关系 实验中 甲 乙两位同学选用不同的 橡皮绳代替弹簧 为测量橡皮绳的劲度系数 他们在橡皮绳下端依次逐个挂上钩码 每个钩码的质量均为m 0 1kg 取g 10m s 2 并记录绳下端的坐标 x加 i 下标i表示挂在绳下端钩码个
16、数 然后逐个拿下钩码 同样记录绳下端的坐标x减 i 绳下端坐标的平均值xi x 加i x减i 2 的数据如表 挂在橡皮绳下端的钩码个数 橡皮绳下端的坐标 xi mm 甲乙 1216 5216 5 2246 7232 0 3284 0246 5 4335 0264 2 5394 5281 3 6462 0301 0 1 同一标号橡皮绳的x加i x减i 选填 大于 或 小于 2 同学的数据更符合实验要求 选填 甲 或 乙 3 为了更好地测量劲度系数 在选用钩码时需考虑的因素有哪些 挂在橡皮绳下端的钩码个数 橡皮绳长度的改变量 xi x1 mm 甲乙 1 230 215 5 367 530 0 4118 547 7 5178 064 8 6245 584 5 3 尽可能使伸长量在弹性限度范围内 同时有足够大的伸长量 以减小长度测量的误差 变式探究 某物理学习小组用如图甲所示装置来研究橡皮筋的劲度系数 遵循胡克定律且实验中弹力 始终未超过弹性限度 将一张白纸固定在竖直放置的木板上 原长为L0的橡皮筋的上端固定在O点 下端 挂一重物 用与白纸平行的水平力 由拉力传感器显示其大小 作用于N点 静止
