2018-2019高中物理 第三章 研究物體間的相互作用 實驗 探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系學案 粵教版必修1.doc

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實驗　探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系 [學習目標] 1.探究彈力與彈簧伸長量之間的關(guān)系.2.學會利用列表法、圖象法、函數(shù)法處理實驗數(shù)據(jù).3.能根據(jù)F－x、F－L圖象求出彈簧的勁度系數(shù). 一、實驗目的 1.探究彈力與彈簧伸長量之間的關(guān)系. 2.學會利用列表法、圖象法、函數(shù)法處理實驗數(shù)據(jù). 3.能根據(jù)F－x、F－L圖象求出彈簧的勁度系數(shù). 二、實驗器材 彈簧、刻度尺、鉤碼、鐵架臺. 三、實驗原理 1.如圖1甲所示，在彈簧下端懸掛鉤碼時彈簧會伸長，平衡時彈簧產(chǎn)生的彈力與所掛鉤碼受到的重力大小相等.如圖乙，彈簧的原長與掛上鉤碼后彈簧的長度可以用刻度尺測出，其伸長量x可以用彈簧的長度減去彈簧的原長來求得. 圖1 2.建立平面直角坐標系，以縱坐標表示彈力大小F，以橫坐標表示彈簧的伸長量x，在坐標系中描出實驗所測得的各組(x，F(xiàn))對應(yīng)的點，用平滑曲線連接起來，根據(jù)實驗所得的圖象，就可探究彈力大小與彈簧伸長量之間的關(guān)系. 四、實驗步驟 1.將彈簧的一端掛在鐵架臺上，讓其自然下垂，用刻度尺測出彈簧自然伸長狀態(tài)時的長度L0，即原長. 圖2 2.如圖2所示，在彈簧下端掛質(zhì)量為m1的鉤碼，測出此時彈簧的長度L1，記錄m1和L1. 3.改變所掛鉤碼的質(zhì)量，測出對應(yīng)的彈簧長度，記錄m2、m3、m4、m5、…和相應(yīng)的彈簧長度L2、L3、L4、L5、…. 4.計算出每次彈簧的伸長量x(x＝L－L0)和彈簧受到的拉力F(F＝mg)，并將數(shù)據(jù)填入表格. 1 2 3 4 5 6 7 F/N 0 L/cm x/cm 0 五、數(shù)據(jù)處理 1.建立直角坐標系，以F為縱軸、x為橫軸，根據(jù)測量數(shù)據(jù)用描點法作圖.連接各點得出F隨彈簧伸長量x變化的圖線. 2.以彈簧的伸長量為自變量，寫出圖線所代表的函數(shù).首先嘗試一次函數(shù)，如果不行則考慮二次函數(shù). 3.得出彈力和彈簧伸長量之間的定量關(guān)系，解釋函數(shù)表達式中常數(shù)的物理意義. 六、誤差分析 1.本實驗誤差的主要來源為讀數(shù)和作圖時的偶然誤差.為了減小誤差，要盡量多測幾組數(shù)據(jù). 2.彈簧豎直懸掛時，未考慮彈簧自身重力的影響會帶來系統(tǒng)誤差.為了減小該系統(tǒng)誤差，實驗中應(yīng)使用輕質(zhì)彈簧. 一、實驗原理及操作 例1　以下是某同學所進行的“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”的實驗步驟： (1)將一個彈簧的上端固定在鐵架臺上，豎直懸掛起來，在彈簧下掛一個鉤碼，記下鉤碼的質(zhì)量m1，此時彈簧平衡，彈力大小為F1＝m1g，并用刻度尺測量出此時彈簧的長度L1，并記錄到表格中. (2)再增加鉤碼，重復上述的操作，得到多組數(shù)據(jù). (3)以力F為縱坐標，以彈簧長度Lx為橫坐標，根據(jù)所測的數(shù)據(jù)在坐標紙上描點. (4)按坐標紙上所描各點的分布與走向，作出一條平滑的曲線(包括直線). (5)根據(jù)圖線的特點，分析彈簧的彈力F與彈簧長度Lx的關(guān)系，并得出實驗結(jié)論. 以上步驟中至少有三個不當之處，請將不合理的地方找出來并進行修正. 答案　見解析 解析　(1)中還應(yīng)該測出彈簧的原長L0，此時應(yīng)在不掛鉤碼的情況下，讓彈簧保持自然下垂狀態(tài)，用刻度尺測出從懸點到彈簧下端的長度即為L0； (3)中建立坐標系時應(yīng)該以彈簧的伸長量為橫坐標，因為探究的是彈力與彈簧伸長量的關(guān)系； (5)中應(yīng)分析彈力與彈簧伸長量的關(guān)系. 1.實驗中彈簧下端掛的鉤碼不要太多，以免超出彈簧的彈性限度. 2.測量長度時，應(yīng)區(qū)別彈簧原長L0、實際長度L及伸長量x三者之間的不同，明確三者之間的關(guān)系.為了減小彈簧自身重力帶來的影響，測彈簧原長時應(yīng)讓彈簧在不掛鉤碼時保持自然下垂狀態(tài)，而不是平放在水平面上處于自然伸長狀態(tài). 3.記錄數(shù)據(jù)時要注意彈力及伸長量的對應(yīng)關(guān)系及單位. 4.描點作圖時，應(yīng)使盡量多的點落在畫出的線上，可允許少數(shù)點分布于線兩側(cè)，描出的線不應(yīng)是折線，而應(yīng)是平滑的曲線或直線. 5.盡量選輕質(zhì)彈簧以減小彈簧自身重力帶來的影響. 二、實驗數(shù)據(jù)的處理 例2　某同學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________方向(填“水平”或“豎直”). (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)如下表. 代表符號 L0 Lx L1 L2 L3 L4 L5 L6 數(shù)值(cm) 25.35 27.35 29.35 31.30 33.4 35.35 37.40 39.30 表中有一個數(shù)值記錄不規(guī)范，代表符號為________.由表可知所用刻度尺的最小分度為________. (3)圖3是該同學根據(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________的差值(填“L0”或“Lx”). 圖3 (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)果保留兩位有效數(shù)字，重力加速度g取9.8 N/kg) 答案　(1)豎直　(2)穩(wěn)定　L3　1 mm (3)Lx　(4)4.9　10 解析　(1)為保證彈簧的形變只由砝碼和砝碼盤的重力產(chǎn)生，彈簧軸線和刻度尺均應(yīng)在豎直方向. (2)彈簧靜止穩(wěn)定時，記錄原長L0；表中的數(shù)據(jù)L3與其他數(shù)據(jù)有效位數(shù)不同，所以數(shù)據(jù)L3不規(guī)范，標準數(shù)據(jù)應(yīng)讀至cm位的后兩位，最后一位應(yīng)為估讀值，所以刻度尺的最小分度為1 mm. (3)由題圖知所掛砝碼質(zhì)量為0時，x為0，所以x＝L－Lx(L為彈簧長度). (4)由胡克定律F＝kx知，mg＝k(L－Lx)，即mg＝kx，所以圖線斜率即為彈簧的勁度系數(shù) k＝＝ N/m＝4.9 N/m 同理，砝碼盤的質(zhì)量 m′＝＝ kg ＝0.01 kg＝10 g. 1.Fx圖象應(yīng)是過原點的直線，直線的斜率等于彈簧的勁度系數(shù). 2.FL圖象是不過原點的直線，其與橫軸的截距等于彈簧的原長，斜率仍然等于彈簧的勁度系數(shù). 三、誤差分析 例3　某同學做“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”的實驗，他先把彈簧放在水平桌面上使其自然伸展，用直尺測出其長度L0，再把彈簧豎直懸掛起來，刻度尺的零刻度線跟彈簧上端對齊，在彈簧的下部A處固定一個指針.如圖4所示.掛上鉤碼，平衡后測出其長度L，令x＝L－L0.改變鉤碼個數(shù)，進行多次測量. 圖4 (1)用F表示彈簧下端受到的鉤碼的拉力，則如圖所示的Fx圖線，你認為符合實際情況的是(　　) (2)如果將指針固定在A點的下方P處，在正確測出彈簧原長的情況下，再作出x隨F變化的圖象，此時彈簧勁度系數(shù)的測量值____________實際值(填“大于”“小于”或“等于”). 答案　(1)C　(2)等于 解析　(1)因為彈簧是被放在水平桌面上測得的原長，然后把彈簧豎直懸掛起來后，由于自身重力的作用，彈簧的長度會增大，所以圖線應(yīng)在x軸正方向上有截距，C正確，A、B、D錯誤. (2)如果將指針固定在A點的下方P處，在正確測出彈簧原長的情況下，再作出x隨F變化的圖象，則在圖象上x的變化量不變，得出彈簧的勁度系數(shù)與實際值相等. 四、創(chuàng)新實驗 例4　在“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系，并測定彈簧的勁度系數(shù)”的實驗中，實驗裝置如圖5所示.所用的每個鉤碼的重力相當于對彈簧提供了向右恒定的拉力.實驗時先測出不掛鉤碼時彈簧的自然長度，再將5個鉤碼逐個掛在繩子的下端，每次測出相應(yīng)的彈簧總長度. 圖5 (1)有一個同學通過以上實驗測量后把6組數(shù)據(jù)描點在圖6坐標系中，請作出F—L圖線. 圖6 (2)由此圖線可得出該彈簧的原長L0＝________ cm，勁度系數(shù)k＝________ N/m. (3)試根據(jù)該同學以上的實驗情況，幫助他設(shè)計一個記錄實驗數(shù)據(jù)的表格(不必填寫其實驗測得的具體數(shù)據(jù)). (4)該同學實驗時，把彈簧水平放置與彈簧懸掛放置相比較，優(yōu)點在于：_______________，缺點在于：______________________. 答案　見解析 解析　(1)F—L圖線如圖所示： (2)彈簧的原長L0即彈力為零時彈簧的長度，由圖象可知，L0＝510－2 m＝5 cm. 勁度系數(shù)為圖象直線部分的斜率，k＝20 N/m. (3)記錄實驗數(shù)據(jù)的表格如下表 次數(shù) 1 2 3 4 5 6 彈力F/N 彈簧的長度L/(10－2 m) (4)優(yōu)點是：可以避免彈簧自身重力對實驗的影響. 缺點是：彈簧與桌面及繩子與滑輪間存在的摩擦會造成實驗誤差. 1.(實驗器材及原理)(多選)在“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”實驗中，以下說法正確的是(　　) A.彈簧被拉伸時，不能超出它的彈性限度 B.用懸掛鉤碼的方法給彈簧施加拉力，應(yīng)保證彈簧位于豎直位置且處于平衡狀態(tài) C.用刻度尺測得彈簧的長度即為彈簧的伸長量 D.用幾個不同的彈簧，分別測出幾組拉力與伸長量，得出拉力與伸長量之比相等 答案　AB 2.(實驗過程及數(shù)據(jù)處理)一位同學在做“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”的實驗. (1)下列的實驗步驟是這位同學準備完成的，請你幫這位同學按操作的先后順序，將這些步驟用字母排列出來是________. A.以彈簧伸長量為橫坐標，以彈力為縱坐標，描出各組數(shù)據(jù)(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 F.解釋函數(shù)表達式中常數(shù)的物理意義 (2)下表是這位同學所測的幾組數(shù)據(jù) 彈力(F/N) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 彈簧原來長度(L0/cm) 15 15 15 15 15 彈簧后來長度(L/cm) 16.2 17.3 18.5 19.6 20.8 彈簧伸長量(x/cm) 1.2 2.3 3.5 4.6 5.8 ①根據(jù)上表的數(shù)據(jù)在圖7的坐標系中作出F－x圖線. 圖7 ②寫出曲線的函數(shù)表達式________(x用cm作單位). ③函數(shù)表達式中常數(shù)的物理意義：_______________________________________________. 答案　(1)CBDAEF　(2)①如圖所示 ②F＝0.43x ③表示彈簧的勁度系數(shù)，即表示使彈簧伸長或者壓縮1 cm所需的外力大小為0.43 N 解析　(1)在做實驗的時候一般步驟為先組裝器材，然后進行實驗，最后處理數(shù)據(jù)，故順序為CBDAEF. (2)①根據(jù)描點法，圖象如圖所示 ②、③根據(jù)圖象，該直線為過原點的一條直線，即彈力與伸長量成正比，即F＝kx＝0.43x.式中的常數(shù)表示彈簧的勁度系數(shù)，即表示使彈簧伸長或者壓縮1 cm所需的外力大小為0.43 N. 3.(實驗誤差分析)在“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”實驗中，根據(jù)數(shù)據(jù)作出Fx圖象如圖8實線所示，可能的原因是(　　) 圖8 A.懸掛的鉤碼多，拉力超過了彈簧的彈性限度 B.用直尺測量彈簧的長度時，讀數(shù)小了 C.有的數(shù)據(jù)不是彈簧的伸長，而是彈簧的長度 D.所有數(shù)據(jù)都是用彈簧長度進行處理的 答案　A 解析　彎曲部分顯示：當x達到某一值后，F(xiàn)與x不再成正比，前面數(shù)據(jù)呈線性分布，說明不是讀數(shù)問題，而是拉力超出了彈簧的彈性限度. 一、選擇題 1.在“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”實驗中，彈簧彈力的大小為F，彈簧的形變量(伸長量或壓縮量)為x，下列說法正確的是(　　) A.實驗中k的具體數(shù)值只能用逐個計算的方法求出來，而沒有其他的方法 B.如果沒有測出彈簧原長，用彈簧長度L代替x，F(xiàn)L圖線也是過原點的一條直線 C.利用Fx圖線可求出k值 D.實驗時要把所有點連到線上，才能探索得到真實規(guī)律 答案　C 解析　該實驗中進行數(shù)據(jù)處理，可以采用圖象法，并非只能用逐個計算的方法來求k，故A錯誤；用彈簧長度L代替x，F(xiàn)L圖線不過原點，故B錯誤；在Fx圖象中圖線的斜率表示彈簧勁度系數(shù)的大小，故利用Fx圖線可以求出k值，故C正確；實驗時并非把所有點連到線上，而是讓線穿過盡量多的點，不能穿過的盡量分布在線的兩側(cè)，這樣可以剔除誤差比較大的點，故D錯誤. 2.在“探究彈簧的彈力與伸長量的關(guān)系”的實驗中，根據(jù)測量數(shù)據(jù)作出了彈力F和彈簧的形變量x的關(guān)系圖象.下列說法正確的是(　　) A.圖線是經(jīng)過坐標原點的曲線，說明F與x成正比 B.圖線是經(jīng)過坐標原點的直線，說明F與x成正比 C.彈簧的勁度系數(shù)與彈力成正比 D.圖線的斜率的倒數(shù)就是彈簧的勁度系數(shù) 答案　B 解析　在彈性限度內(nèi)，圖線是經(jīng)過坐標原點的直線，說明F與x成正比，故A錯誤，B正確；彈簧的勁度系數(shù)取決于彈簧自身，故C錯誤；由胡克定律F＝kx得：圖線的斜率k＝表示彈簧的勁度系數(shù)，故D錯誤. 3.如圖1所示是“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”的實驗裝置，小東認真操作、正確讀數(shù)后得到的數(shù)據(jù)記錄如下表.由表可知(　　) 圖1 次數(shù) 物理量 1 2 3 4 F/N 0 0.98 1.96 2.94 L/cm 12.0 14.0 16.0 18.0 x/cm 0 2.0 4.0 6.0 A.每個鉤碼的質(zhì)量為0.98 kg B.實驗所用刻度尺的分度值是1 mm C.每掛一個鉤碼，彈簧伸長12.0 cm D.實驗時彈簧伸長量未超過彈性限度 答案　D 解析　每個鉤碼的質(zhì)量m＝ kg＝0.1 kg，A錯；由于彈簧的長度記錄到整數(shù)厘米的下一位，故所用刻度尺為厘米刻度尺，最小分度為1 cm，B錯；由表可以看出，每掛一個鉤碼，彈簧都要伸長2 cm，C錯；由所給實驗數(shù)據(jù)可以看出，彈簧彈力與其伸長量成正比，符合胡克定律，故彈簧伸長量未超過它的彈性限度，D對. 4.(多選)一個實驗小組在“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”的實驗中，使用兩根不同的輕質(zhì)彈簧a和b，得到彈力與彈簧長度的關(guān)系的圖象如圖2所示.下列表述正確的是(　　) 圖2 A.a的截距比b的小，由此判斷a的勁度系數(shù)比b的小 B.a的斜率比b的大，由此判斷a的勁度系數(shù)比b的大 C.a的截距比b的小，由此判斷a的原長比b的小 D.由圖象獲得的信息表明彈力與彈簧的長度成正比 答案　BC 解析　題圖圖象中斜率表示彈簧的勁度系數(shù)k，故a的勁度系數(shù)比b的大，A錯誤，B正確；圖象中橫截距表示彈簧的原長，b的原長比a的長，C正確；測得的彈力與彈簧的伸長量成正比，而不是與彈簧的長度成正比，故D錯誤. 二、非選擇題 5.某同學用如圖3所示裝置做“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”的實驗.他先測出不掛鉤碼時彈簧下端指針所指的標尺刻度，然后在彈簧下端掛上鉤碼，并逐個增加鉤碼，同時測出指針所指的標尺刻度，所得數(shù)據(jù)列表如下：(g取9.8 m/s2) 圖3 鉤碼質(zhì)量m/(102g) 0 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 標尺刻度x/(10－2m) 15.00 18.94 22.82 26.78 30.66 34.60 42.00 54.50 (1)根據(jù)所測數(shù)據(jù)在圖4坐標紙上作出彈簧指針所指的標尺刻度x與鉤碼質(zhì)量m的關(guān)系曲線. 圖4 (2)根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)和關(guān)系曲線可以判斷，在______N范圍內(nèi)彈力大小與彈簧伸長量關(guān)系滿足胡克定律.彈簧的勁度系數(shù)為________N/m. 答案　(1)見解析圖　(2)0～4.9　25.00 解析　(1)根據(jù)表格中的各組數(shù)據(jù)在xm圖象上標出相應(yīng)的點，然后用平滑曲線連接這些點，作出的圖象如圖所示. (2)根據(jù)作出的圖線可知，鉤碼質(zhì)量在0～500 g范圍內(nèi)圖線是直線，表明彈力大小與彈簧伸長量關(guān)系滿足胡克定律.利用題給數(shù)據(jù)計算得彈簧的勁度系數(shù)k＝＝ N/m≈25.00 N/m. 6.在“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”實驗中，得到輕質(zhì)彈簧的彈力F的大小和彈簧長度L的關(guān)系圖象如圖5所示，則由圖線可知： 圖5 (1)彈簧的原長是________ cm； (2)彈簧的勁度系數(shù)為________ N/m； (3)表示彈簧處于壓縮狀態(tài)的是圖線________. 答案　(1)10　(2)200　(3)b 解析　(1)當F＝0時，彈簧長度為原長，由題圖得，原長為10 cm. (2)由公式F＝kx得 k＝＝＝ N/m＝200 N/m. (3)當彈簧長度小于原長時，處于壓縮狀態(tài)，故是圖線b. 7.某同學利用如圖6a所示裝置做“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”的實驗. 圖6 (1)他通過實驗得到如圖b所示的彈力大小F與彈簧長度L的關(guān)系圖線.由此圖線可得該彈簧的原長L0＝________ cm，勁度系數(shù)k＝________ N/m. (2)他又利用本實驗原理把該彈簧做成一把彈簧秤，當彈簧秤上的示數(shù)如圖c所示時，該彈簧的長度L＝________ cm. 答案　(1)4　50　(2)10 解析　(1)當F＝0時，彈簧的長度即為原長，由胡克定律可知圖象的斜率表示勁度系數(shù)的大小.(2)彈簧秤的示數(shù)為3.0 N，則彈簧伸長量為x＝ m＝0.06 m，則彈簧長度為10 cm. 8.某實驗小組做“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”的實驗，實驗時，先把彈簧平放在桌面上，用直尺測出彈簧的原長L0＝4.6 cm，再把彈簧豎直懸掛起來，在下端掛鉤碼，每增加一只鉤碼記下對應(yīng)的彈簧長度L，數(shù)據(jù)記錄如下表所示： 鉤碼個數(shù) 1 2 3 4 5 彈力F/N 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 彈簧的長度L/cm 7.0 9.0 11.0 13.0 15.0 (1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖7中作出F—L圖線； 圖7 (2)由此圖線可得，該彈簧勁度系數(shù)k＝________ N/cm. (3)圖線與L軸的交點坐標大于L0的原因是________________________. 答案　見解析 解析　(1)如圖所示 (2)圖象的斜率表示勁度系數(shù)，故有：k＝＝ N/m＝50 N/m. (3)圖線與L軸的交點坐標表示彈簧不掛鉤碼時的長度，其數(shù)值大于彈簧原長，是因為彈簧自身重力的影響.