【課件】實驗：探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系高一上學(xué)期物理人教版（2019）必修第一冊

1.重力與彈力第2課時實驗:探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系實驗探究·新知導(dǎo)學(xué)典例精講·釋疑解惑課堂小結(jié)隨堂練習(xí)課標(biāo)定位1.探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系。2.學(xué)會利用圖像研究兩個物理量之間關(guān)系的方法。素養(yǎng)闡釋通過提出彈力與形變量關(guān)系的猜想假設(shè),設(shè)計實驗方案,定量探究彈力與形變量之間的關(guān)系,并驗證假設(shè),培養(yǎng)實驗探究能力。

實驗探究·新知導(dǎo)學(xué)一、實驗?zāi)康?.探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系。2.學(xué)會用列表法、圖像法、函數(shù)法處理實驗數(shù)據(jù)。二、實驗原理1.如圖所示,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的重力大小相等。2.彈簧的長度可用刻度尺直接測出,伸長量可以由拉長后的長度減去彈簧原來的長度進行計算。這樣就可以研究彈簧的彈力和彈簧伸長量之間的定量關(guān)系了。三、實驗器材鐵架臺、彈簧、毫米刻度尺、鉤碼若干、坐標(biāo)紙。四、實驗步驟1.按實驗原理圖安裝實驗裝置,記下彈簧自由下垂時下端所對應(yīng)的刻度l0。2.在彈簧下端懸掛一個鉤碼,平衡時記下彈簧的總長度并記下鉤碼的重力。3.增加鉤碼的個數(shù),重復(fù)上述實驗過程,將數(shù)據(jù)填入表格,以F表示彈力,l表示彈簧的總長度,x=l-l0表示彈簧的伸長量。鉤碼數(shù)0123456F/N0

l/cm

x/cm0

五、數(shù)據(jù)處理1.以彈力F(大小等于所掛鉤碼的重力)為縱坐標(biāo),以彈簧的伸長量x為橫坐標(biāo),用描點法作圖。連接各點,得出彈力F隨彈簧伸長量x變化的圖線,如圖所示。2.以彈簧伸長量為自變量,寫出彈力與彈簧伸長量之間的函數(shù)關(guān)系,函數(shù)表達式中常數(shù)即為彈簧的勁度系數(shù),這個常數(shù)也可據(jù)F-x圖線的斜率求解,即k=。六、誤差分析1.由于彈簧原長及伸長量的測量都不便于操作,故存在較大的測量誤差。2.描點、作圖不準(zhǔn)確也會引起誤差,所以每次所掛鉤碼的質(zhì)量適當(dāng)大一些,從而使坐標(biāo)紙上描的點盡可能分散,這樣作出的圖線更精確。

典例精講·釋疑解惑一、實驗原理和實驗操作【例題1】

某同學(xué)利用如圖甲裝置在做探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系的實驗。(1)在安裝刻度尺時,必須使刻度尺保持

狀態(tài)。

(2)他通過實驗得到如圖乙所示的彈力大小F與彈簧長度x的關(guān)系圖線。由此圖線可得該彈簧的原長x0=

cm,勁度系數(shù)k=

N/m。

(3)他又利用本實驗原理把該彈簧做成一把彈簧測力計,當(dāng)彈簧測力計上的示數(shù)如圖丙所示時,該彈簧的長度x=

cm。答案:(1)豎直(2)4

50(3)10解析:(1)為了刻度尺讀數(shù)準(zhǔn)確,要求刻度尺保持豎直。(2)由胡克定律可得F=k(x-x0),可知:圖線與x軸的截距大小等于彈簧的原長,即x0=4

cm;圖線的斜率大小等于彈簧的勁度系數(shù)k=50

N/m。(3)由胡克定律得F=k(x-x0),代入數(shù)據(jù)得x=10

cm。二、實驗數(shù)據(jù)處理【例題2】

在探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系的實驗中。(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。

(2)彈簧自然懸掛,待彈簧靜止時,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10g砝碼,彈簧長度依次記為l1至l6。數(shù)據(jù)如表。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分度值為

。

(3)下圖是該同學(xué)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

(選填“l(fā)0”或“l(fā)x”)的差值。(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9.8N/kg)。

答案:(1)豎直(2)l3

1mm(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,刻度尺的分度值為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)。三、創(chuàng)新型實驗【例題3】

(1)某次研究彈簧所受彈力F與彈簧長度l的關(guān)系實驗時,得到如圖甲所示的F-l圖像,由圖像可知:彈簧原長l0=

cm,求得彈簧的勁度系數(shù)k=

N/m。

(2)按如圖乙的方式掛上鉤碼(已知每個鉤碼重G=1N),使(1)中研究的彈簧壓縮,穩(wěn)定后指針指示如圖乙所示,則指針?biāo)缚潭瘸呤緮?shù)為

cm。由此可推測圖乙中所掛鉤碼的個數(shù)為

。

答案:(1)3.0

200

(2)1.50

3解析:(1)由胡克定律F=k(l-l0),結(jié)合題圖甲中數(shù)據(jù)得l0=3.0

cm,k=200

N/m。(2)由題圖乙知指針?biāo)究潭葹?.50

cm,由F=k(l0-l),可求得此時彈力為F=3

N,故所掛鉤碼的個數(shù)為3。課堂小結(jié)隨堂練習(xí)1.(實驗原理)下列關(guān)于探究彈簧彈力和伸長量的關(guān)系實驗的說法正確的是(

)A.實驗中k的具體數(shù)值必須計算出來B.如果沒有測出彈簧原長,用彈簧長度l代替x,F-l圖線也是過原點的一條直線C.利用F-x圖線可求出k值D.實驗時要把所有點連到線上,才能得到真實規(guī)律答案:C解析:在探究彈簧彈力和伸長量的關(guān)系實驗中利用F-x圖線可求出k值,但不一定要求解出k值;實驗中用彈簧長度l代替x,F-l圖線不是過原點的一條直線;作圖時絕大多數(shù)點落在直線上,偏離較大的點舍去,C正確。2.(數(shù)據(jù)處理)在探究彈簧彈力和伸長量的關(guān)系的實驗中,王超同學(xué)用圖像法處理數(shù)據(jù)時,誤把彈簧的總長度作為橫坐標(biāo)描點作圖,其他步驟都正確,則作出的圖像應(yīng)是(

)答案:C解析:設(shè)彈簧原長為l0,由胡克定律知,彈簧總長度l與彈力F之間滿足F=k(l-l0),即彈力F與彈簧總長度l成線性關(guān)系,且當(dāng)l=l0時,F=0,故C正確。3.(數(shù)據(jù)處理)一個實驗小組在探究彈簧彈力和伸長量的關(guān)系的實驗中,使用兩個不同的輕質(zhì)彈簧a和b,得到彈力與彈簧長度關(guān)系的圖像如圖所示,下列表述正確的是(

)A.a的原長比b的長B.a的勁度系數(shù)比b的大C.a的勁度系數(shù)比b的小D.測得的彈力與彈簧的長度成正比答案:B解析:圖像的橫軸截距表示彈簧的原長,A錯誤;圖像的斜率表示彈簧的勁度系數(shù),B正確,C錯誤;圖像不過原點,D錯誤。4.(實驗步驟)某同學(xué)做探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系實驗。(1)圖甲是不掛鉤碼時彈簧下端指針?biāo)傅臉?biāo)尺刻度,其示數(shù)為7.73cm;圖乙是在彈簧下端懸掛鉤碼后指針?biāo)傅臉?biāo)尺刻度,此時彈簧的伸長量Δl為

cm。

(2)本實驗通過在彈簧下端懸掛鉤碼的方法來改變彈簧的彈力,關(guān)于此操作,下列選項中規(guī)范的做法是

(填選項前的字母)。

A.逐一增掛鉤碼,記下每增加一只鉤碼后指針?biāo)傅臉?biāo)尺刻度和對應(yīng)的鉤碼總重力B.隨意增減鉤碼,記下增減鉤碼后指針?biāo)傅臉?biāo)尺刻度和對應(yīng)的鉤碼總重力(3)圖丙是該同學(xué)描繪的彈簧的伸長量Δl與彈力F的關(guān)系圖線,圖線的AB段明顯偏離直線OA,造成這種現(xiàn)象的主要原因是

。

答案:(1)6.93(2)A(3)彈簧形變超出彈簧的彈性限度解析:(1)由題圖乙標(biāo)尺刻度可知示數(shù)l2=14.66

cm,所以彈簧伸長量為Δl=l2-l1=6.93

cm。(2)為防止彈簧超出彈性限度,應(yīng)逐漸增加鉤碼的數(shù)量,故選項A正確。(3)由圖丙知AB段伸長量與彈力不成線性關(guān)系,主要原因是所掛鉤碼總重力過大,導(dǎo)致彈簧形變超出彈簧的彈性限度。5.(數(shù)據(jù)處理)某同學(xué)在探究彈簧彈力與伸長量的關(guān)系時,設(shè)計了如圖甲所示的實驗裝置。他先測出不掛鉤碼時彈簧的自然長度,然后在彈簧下端依次掛1、2、3、4、5個鉤碼,待靜止時,測出彈簧相應(yīng)的長度。每只鉤碼的質(zhì)量都是20g。實驗數(shù)據(jù)如下表所示。實驗時始終未超出彈簧的彈性限度,g取10N/kg。鉤碼質(zhì)量/g020406080100彈簧長度l/cm5.005.506.006.507.007.50彈力大小F/N00.20.40.60.81.0