2019届全国通用版高考物理一轮复习实验二探究弹力和弹簧伸长的关系讲义.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,实验二,探究弹力和弹簧伸长的关系,【,实验目的,】,1.,探究弹力和弹簧伸长的关系。,2.,学会利用图象法处理实验数据,探究物理规律。,【,实验原理,】,1.,如图所示,弹簧在下端悬挂钩码时会伸长,平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码的重力大小相等。,2.,用刻度尺测出弹簧在不同钩码拉力下的伸长量,x,建立直角坐标系,以纵坐标表示弹力大小,F,以横坐标表示弹簧的伸长量,x,在坐标系中描出实验所测得的各组,(,x,F,),对应的点,用平滑的曲线连接起来,根据实验所得的图线,就可探知弹力大小与弹簧伸长量间的关系。,【,实验器材,】,铁架台、毫米刻度尺、弹簧、钩码,(,若干,),、三角板、铅笔、重垂线、坐标纸等。,【,实验过程,】,1.,根据实验原理图,将铁架台放在桌面上,(,固定好,),将弹簧的一端固定于铁架台的横梁上,在靠近弹簧处将刻度尺,(,分度值为,1 mm),固定于铁架台上,并用重垂线检查刻度尺是否竖直。,2.,记下弹簧下端不挂钩码时所对应的刻度,l,0,即弹簧的原长。,3.,在弹簧下端挂上钩码,待钩码静止时测出弹簧的长度,l,求出弹簧的伸长量,x,和所受的外力,F(,等于所挂钩码的重力,),。,4.,改变所挂钩码的数量,重复上述实验,要尽量多测几组数据,将所测数据填写在表格中。,记录表,:,弹簧原长,l,0,=,cm,。,次数,内容,1,2,3,4,5,6,拉力,F/N,弹簧总长,/cm,弹簧伸长,/cm,【,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。,2.,以弹簧的伸长量为自变量,写出图线所代表的函数表达式,并解释函数表达式中常数的物理意义。,【,误差分析,】,1.,系统误差,:,钩码标值不准确和弹簧自身重力的影响造成系统误差。,2.,偶然误差,:,(1),弹簧长度的测量造成偶然误差,为了减小这种误差,要尽量多测几组数据。,(2),作图时的不规范造成偶然误差,为了减小这种误差,画图时要用细铅笔作图,所描各点尽量均匀分布在直线的两侧。,【,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适当大一些,从而使坐标点的间距尽可能大,这样作出的图线准确度更高一些。,3.,测弹簧长度时,一定要在弹簧竖直悬挂且处于稳定状态时测量,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.,记录实验数据时要注意弹力、弹簧的原长,l,0,、总长,l,及弹簧伸长量的对应关系及单位。,6.,坐标轴的标度要适中。,热点一实验原理与实验操作,【,典例,1】,某中学的物理兴趣实验小组在“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验时,分成了两组来进行探究分析。导学号,04450041,(1),小组甲对两个劲度系数不同的弹簧,A,和弹簧,B,进行了探究,根据测量的实验,数据以弹簧的伸长量,(x),为纵坐标,以,弹簧的弹力,(F),为横坐标,在同一坐标系中作出了两弹,簧的图象,从图象上看两弹簧的图线的后半段均向上发,生了弯曲,其原因是,_,如果选用其中的一个弹簧制作成精确度比较高的弹簧测力计,则应选,(,选填“,A”,或“,B”),。,(2),小组乙的同学完成了如下的操作,:,a.,将带铁夹的铁架台放在水平桌面上,将弹簧的一端固定在铁夹上使其呈自然状态,并在竖直的弹簧附近平行弹簧固定一刻度尺,b.,以弹簧的伸长量,(x),为纵坐标,以弹簧的弹力,(F),为横坐标,根据以上测量的数据在坐标系中描点,并用一条平滑的线连接起来,c.,写出弹簧的弹力与弹簧形变量的关系式,并对该关系式中的常量进行解释,d.,从刻度尺上读出弹簧下端不悬挂钩码时,弹簧下端所对应的刻度尺上的刻度值,记为,L,0,e.,然后在弹簧的下端依次悬挂,1,、,2,、,3,、,4,个钩码,当弹簧稳定时,依次读出弹簧下端所对应的刻度值,分别记为,L,1,、,L,2,、,L,3,、,L,4,并将对应的数据记录在表格中,随后将钩码取下,请将以上的实验步骤按照正确的顺序排列,将步骤前的字母填在横线上,:_,。,【,规范解答,】,(1),图象后半段向上弯曲表明弹簧已经超过了其弹性限度,;,若要制作一个精确度较高的弹簧测力计,应选弹簧,A,因为弹簧,A,的劲度系数较小,较小的力能使弹簧,A,发生较明显的形变,便于测量。,(2),实验步骤的排列顺序为,adebc,。,答案,:,(1),弹簧已经超过了其弹性限度,A,(2)adebc,【,强化训练,】,如图甲所示,用铁架台、弹簧和多个质量均为,m,的钩码探究在弹性限度内弹簧弹力与弹簧伸长量的关系。,(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,。图线不过原点是由于,_,。,(4),为完成该实验,设计实验步骤如下,:,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,l,0,;,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,:_,_,。,【,解析,】,(1),根据实验原理可知还需要刻度尺来测量弹簧原长和伸长量。,(2),根据实验原理,实验中需要测量的物理量有弹簧的原长、弹簧所受外力与对应的伸长量,(,或与弹簧对应的长度,),。,(3),取图象中,(0.5,0),和,(3.5,6),两个点,代入,F=,kx,可得,k=200 N/m,由于弹簧自重的原因,使得弹簧不加外力时就有形变量。,(4),根据完成实验的合理性可知先后顺序为,CBDAEFG,。,答案,:,(1),刻度尺,(2),弹簧原长、弹簧所受外力与对应的伸长量,(,或与弹簧对应的长度,),(3)200,弹簧自重,(4)CBDAEFG,【,反思归纳,】,(1),测量有关长度时,应区别弹簧原长,L,0,、实际总长,L,及伸长量,x,明确三者之间的关系。,(2),建立平面直角坐标系时,两轴上单位长度所代表的物理量的值要适当,不可过大,也不可过小。描线的原则,:,尽量使各点落在一条直线上,少数点分布于直线两侧,描出的线不应是折线,而应是平滑的直线。,热点二数据处理及误差分析,【,典例,2】,某同学做“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验。导学号,04450042,(1),图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,_,。,(,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,_,_,。,【,解题指导,】,解答本题应关注以下三点,:,(1),刻度尺读数时,对有效数字的要求。,(2),逐一增挂钩码和随意增减钩码对实验带来的影响。,(3),从实验注意事项的角度分析图象弯曲的原因。,【,规范解答,】,(1),由题图乙知,读数为,14.66 cm,所以弹簧伸长量,l,=(14.66-7.73)cm=6.93 cm,。,(2),若随意增减钩码,作图不方便,有可能会超出弹簧的弹性限度,所以应逐一增挂钩码,选项,A,正确。,(3),由题图丙知,AB,段弹簧伸长量与弹力不成线性关系,是因为钩码重力超过弹簧的弹性限度。,答案,:,(1)6.93,(2)A,(3),钩码重力超过弹簧的弹性限度,【,强化训练,】,某同学探究一条橡皮筋的弹力和伸长量之间的关系,实验时使用了一条拉伸一定长度后粗细会明显变化的橡皮筋。利用弹簧秤测出橡皮筋弹力的大小,利用刻度尺测出橡皮筋的长度。,(1),某次测橡皮筋的弹力时,弹簧秤的示数如图甲所示,读数为,_N,。,(2),该同学根据实验测得的橡皮筋的弹力,F,与橡皮筋伸长量,x,的数据作出,F-,x,图象,如图乙所示。从图上可以看出,在弹力较小时,橡皮筋的弹力与伸长量的关系遵循胡克定律,这时橡皮筋的劲度系数为,_,_N/m,。,(3),由图乙可以看出,当拉力较大时,橡皮筋的弹力与伸长量的比值发生了明显的变化,这时拉力越大,橡皮筋越,_(,选填“容易”或“不容易”,),发生形变。,【,解析,】,(1),根据弹簧秤的读数规则可知,弹簧秤的读,数为,1.30 N,。,(2),由题图乙可知,在弹力较小时,橡皮筋的弹力与伸长,量成正比,这时橡皮筋的劲度系数为,k=N/m=12 N/m,。,(3),由题图乙可以看出,当拉力较大时,图象的斜率增大,这表明增大一定的伸长量,需要的拉力变大,因此橡皮筋更不容易发生形变。,答案,:,(1)1.30,(2)12,(3),不容易,【,反思归纳,】,在,F-x,图象中,若,x,表示弹簧的长度,则图线不过坐标原点,图线与横轴的交点坐标表示弹簧的原长,图线的斜率仍表示弹簧的劲度系数。若图象最后出现弯曲,则表示弹簧超出了弹性限度。,热点三实验拓展与创新,【,典例,3】,(,多选,)(2018,临沂模拟,),如图甲所示,一弹簧一端固定在传感器上,传感器与电脑相连。当对弹簧施加变化的作用力,(,拉力或压力,),时,在电脑上得到了弹簧形变量与弹簧产生的弹力的关系图象,如图乙所示。则下列判断正确的是,导学号,04450043(,),A.,弹簧产生的弹力和弹簧的长度成正比,B.,弹力增加量与对应的弹簧长度的形变量成正比,C.,该弹簧的劲度系数是,200 N/m,D.,该弹簧受到反向压力时,劲度系数不变,【,创新方向分析,】,实验原理的创新,(,如图所示,),【,规范解答,】,选,B,、,C,、,D,。由题图乙知,F-x,图线是一条,过原点的直线,k=N/m=200 N/m,弹簧的劲度,系数与弹簧所受力的方向无关,A,错误,B,、,C,、,D,正确。,【,强化训练,】,用如图甲所示的实验装置研究弹簧的弹力与形变量之间的关系。轻弹簧上端固定一个力传感器,然后固定在铁架台上,当用手向下拉伸弹簧时,弹簧的弹力可从传感器读出。用刻度尺可以测量弹簧原长和伸长后的长度,从而确定伸长量。测量数据如表格所示,:,伸长量,x/,10,-2,m,2.00,4.00,6.00,8.00,10.00,弹力,F/N,1.50,2.93,4.55,5.98,7.50,(1),以,x,为横坐标,F,为纵坐标,在图乙的坐标纸上描绘出能够正确反映弹力与伸长量关系的图线。,(2),由图线求得该弹簧的劲度系数为,_(,保留两位有效数字,),。,【,解析,】,横轴表示伸长量,x,纵轴表示弹力,F,按照表格数据,描点画图,得到一条直线,图象斜率代表弹簧劲度系数。求得弹簧的劲度系数为,75 N/m,。,答案,:,(1),见解析图,(2)75 N/m,