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1、实验:探究弹簧伸长量与弹力的关系一、实验目的1探究弹力与弹簧伸长的关系。2学会利用列表法、图象法、函数法处理实验数据。3验证胡克定律。二、实验原理1如图 1 所示,在弹簧下端悬挂钩码时弹簧会伸长,平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码的重力大小相等。图 12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的定量关系了。3求弹簧的劲度系数:弹簧的弹力 F 与其伸长量 x 成正比,比例系数 k ,Fx即为弹簧的劲度系数;另外,在 Fx 图象中,直线的斜率也等于弹簧的劲度系数。三、实验器材铁架台、弹簧、毫米刻度尺、钩码若干、坐标纸。四
2、、实验步骤1按图 2 安装实验装置,记下弹簧下端不挂钩码时所对应的刻度 l0。图 22在弹簧下端悬挂一个钩码,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,xll0表示弹簧的伸长量。1234567F/N0l/cmx/cm0五、数据处理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,如图 3 所示。图 32以弹簧伸长量为自变量,写出弹力和弹簧伸长量之间的函数关系,函数表达式中常数即为弹簧的劲度系数,这个常数也可据 F
3、x 图线的斜率求解,k。Fx六、误差分析由于弹簧原长及伸长量的测量都不便于操作,存在较大的测量误差,另外由于弹簧自身的重力的影响,即当未放重物时,弹簧在自身重力的作用下,已经有一个伸长量,这样所作图线往往不过原点。 七、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。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一些,这样作出的图线精确。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,刻度尺要保持竖直并靠近弹簧,以免增大误差。4描点画线时,所描的点不一定都落在一条直线上,但应注意一定要使各点均匀分布在直线的两侧。5记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应
4、关系及单位。预习完成后,请把你疑惑的问题记录在下面的表格中问题 1问题 2问题 3要点 实验原理及实验操作例 1 某同学探究弹簧伸长量与弹力的关系。(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
5、用刻度尺的最小分度为_。(3)图 4 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_的差值(填“L0”或“Lx”)。图 4(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/s2)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,标准数据应读至厘米位的后两位,最后一位应为估计值,精确至mm 位,所以刻度尺的最小分度为 1 mm。(3)由题图知所挂砝码质量为 0 时,
6、x 为 0,所以 xLLx。(4)由胡克定律 Fkx 知,mgk(LLx),即 mgkx,所以图线斜率即为 ,kgmx则弹簧的劲度系数 k N/m4.9 N/m。mgx6010 103 9.8122 102同理砝码盘质量m kgkLxL0g4.9 27.3525.35 1029.80.01 kg10 g。答案 (1)竖直 (2)静止 L3 1 mm (3)Lx(4)4.9 10要点 实验数据处理例 2 一位同学做“探究弹簧伸长量与弹力的关系”所测的几组数据见下表,请你根据表中数据作出分析。弹力 F/N0.51.01.52.0弹簧原来长度L0/cm15.015.015.015.0弹簧后来长度 L
7、/cm16.017.117.919.0弹簧伸长量 x/cm(1)算出每一次弹簧的伸长量,并将结果填在表中的空格内。(2)在坐标图上作出 Fx 图线。图 5(3)写出图线的函数表达式(x 用 cm 作单位):_。(4)函数表达式中常数的物理意义:_。解析 (1)弹力 F/N0.51.01.52.0弹簧伸长量x/cm1.02.12.94.0(2)根据表格数据在 Fx 坐标图上描点,根据描的点作直线,使所描各点拟合在直线上(不在直线上的点均匀分布在直线两侧)。(3)根据(2)中的 Fx 图线知,F 与 x 是正比例函数,设表达式为 Fkx,将 F0.5 N、x1.0 cm 代入得k0.5 N/cm,
8、故函数表达式为 F0.5x(N)。(4)函数表达式中常数就是弹簧的劲度系数。答案 见解析要点 创新实验例 3 在“探究弹簧伸长量与弹力的关系,并测定弹簧的劲度系数”的实验中,实验装置如图 6 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。图 6(1)有一个同学通过以上实验测量后把 6 组数据描点在坐标系图 7 中,请作出FL 图线。图 7(2)由此图线可得出该弹簧的原长 L0_cm,劲度系数 k_ N/m。(3)试根据该同学以上的实验情况,帮助他设计一个记录实验数据的表格(不必填写
9、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)FL 图线如图所示:(2)弹簧的原长 L0即弹力为零时弹簧的长度,由图象可知,L05102 m5 cm。劲度系数为图象直线部分的斜率,k20 N/m。(3)记录数据的表格如下表次数123456弹力 F/N弹簧的长度L/(102 m)(4)优点是:可以避免弹簧自身重力对实验的影响。缺点是:弹簧与桌面及绳子与滑轮间存在的摩擦会造成实验误差。答案 (1)见解析图 (2)5 20 (3)、(4)见解析1下列关于“探究弹簧伸长量与弹力的关系”实验的说法中正确的是( )A实验中 k 的具
10、体数值必须计算出来B如果没有测出弹簧原长,用弹簧长度 L 代替 x,FL 图线也是过原点的一条直线C利用 Fx 图线可求出 k 值D实验时要把所有点连到线上,才能探究得到真实规律解析 “探究弹簧伸长量与弹力的关系”实验中利用 Fx 图线可求出 k 值,但不一定要求解出 k 值,实验中用弹簧长度 L 代替 x,FL 图线不是过原点的一条直线,作图时绝大多数点通过直线,偏离较大的点应舍去。C 项对。答案 C2某同学做“探究弹簧伸长量与弹力的关系”的实验,他先把弹簧平放在桌面上使其自然增长,用直尺测出弹簧的原长 L0,再把弹簧竖直悬挂起来,挂上钩码后测出弹簧伸长后的长度 L,把 LL0作为弹簧的伸长
11、量 x。这样操作,由于弹簧自身重力的影响,最后画出的图线可能是( )解析 由于考虑弹簧自身重力的影响,当不挂钩码时,弹簧的伸长量 x0,所以选 C。答案 C3某同学用铁架台、弹簧、多个质量已知且相等的钩码做探究弹簧弹力和伸长量关系的实验,如图 8 甲所示。图 8(1)为了完成实验,还需要的器材有:_。(2)该同学发现由于三角形铁片,使得下端一小段弹簧没有被拉伸(如图乙所示),这使得实验测得的劲度系数比整根弹簧实际的劲度系数_(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。解析 (1)实验需要测量弹簧伸长的长度,故需要刻度尺。(2)由于三角形铁片,使得下端一小段弹簧没有被拉伸,这使得实验测得的劲度系数比整根
12、弹簧实际的劲度系数偏大。答案 (1)刻度尺 (2)偏大4某同学在“探究弹簧伸长量与弹力的关系”时,安装好实验装置,让刻度尺零刻度与弹簧上端平齐,在弹簧下端挂 1 个钩码,静止时弹簧长度为 l1,如图9 甲所示,图乙是此时固定在弹簧挂钩上的指针在刻度尺(最小分度是 1 毫米)上位置的放大图,示数 l1_cm。在弹簧下端分别挂 2 个、3 个、4 个、5个相同钩码,静止时弹簧长度分别是 l2、l3、l4、l5。已知每个钩码质量是 50 g,挂 2 个钩码时,弹簧弹力 F2_N(当地重力加速度 g9.8 m/s2)。要得到弹簧伸长量 x,还需要测量的是_,作出 Fx 曲线,得到弹力与弹簧伸长量的关系
13、。图 9解析 由图乙可估读为 25.85 cm。挂 2 个钩码时,弹簧弹力等于钩码的重力,即F22mg0.98 N。由于弹簧伸长量等于弹簧现在的长度减去弹簧原长,因此要得到伸长量,还需要测量弹簧原长。答案 25.85 0.98 弹簧原长图 105在“探究弹簧伸长量与弹力关系”的实验中,某实验小组将不同数量的钩码分别挂在竖直弹簧下端进行测量,根据实验所测数据,利用描点法作出了所挂钩码的重力 G 与弹簧总长 L 的关系图象,根据图象回答以下问题。(1)弹簧的原长为_cm。(2)弹簧的劲度系数为_N/m。(3)分析图象,总结出弹力 F 跟弹簧长度 L 之间的关系式为_。(L 用m 为单位)解析 (1
14、)当所挂钩码的重力为零时,弹簧的长度即为原长,由题图可知,弹簧的原长为 10 cm。(2)弹簧的劲度系数k N/m1 000 N/m。FxFx4001410 102(3)Fkxk(LL0)1 000(L0.10) N答案 (1)10 (2)1 000 (3)F1 000(L0.10) N6某同学做“探究弹簧伸长量与弹力的关系”的实验。图 11(1)图 11 甲是不挂钩码时弹簧下端指针所指的标尺刻度,其示数为 7.73 cm;图乙是在弹簧下端悬挂钩码后指针所指的标尺刻度,此时弹簧的伸长量 l 为_cm。(2)本实验通过在弹簧下端悬挂钩码的方法来改变弹簧的弹力,关于此操作,下列选项中规范的做法是_
15、。(填选项前的字母)A逐一增挂钩码,记下每增加一只钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重B随意增减钩码,记下增减钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重(3)图丙是该同学描绘的弹簧的伸长量 l 与弹力 F 的关系图线,图线的 AB 段明显偏离直线 OA,造成这种现象的主要原因是_。解析 (1)由题图乙标尺刻度可知示数 l214.66 cm,ll2l16.93 cm。(2)为防止弹簧超出弹性限度,应逐渐增加钩码的重量,故选 A。(3)由图知 AB 段伸长量与弹力不成线性关系,主要原因是钩码重力超出弹簧的弹性限度。答案 (1)6.93 (2)A (3)超出弹簧的弹性限度7某同学用如图 12 甲所示的装置做“探究弹簧伸长量与弹力的关系”的实验。他先测出不挂钩码时弹簧下端指针所指刻度尺的刻度,然后在弹簧下端挂上钩码,并逐个增加钩码,分别测出指针所指刻度尺的刻度,所得数据列表如下(g取 10 m/s2):图 12钩码质量 m/g0100200300400500600700刻度尺的刻度x/cm11