實驗探究彈簧彈力與形變量的關系教學設計高一上學期物理人教版

人教版物理必修第一冊第三章第1節(jié)教學設計第3章相互作用——力第1節(jié)重力與彈力第2課時目錄一、實驗目標二、必備知識三、情景探究四、學習效果第3章相互作用——力第1節(jié)重力與彈力第2課時實驗：探究彈簧彈力與形變量的關系一、實驗目標1．探究彈簧彈力與形變量的關系。2．學會利用列表法、圖像法、函數法處理實驗數據。3．學會根據Fx、Fl圖像求出彈簧的勁度系數。二、必備知識1.實驗原理：彈簧受到拉力作用會伸長,平衡時彈簧的彈力和外力大小相等；彈簧的伸長量越大，彈力也就越大。2.實驗器材：鐵架臺、彈簧、鉤碼、刻度尺、坐標紙3.實驗步驟（1）安裝實驗器材（如圖所示）。（2）測量彈簧的伸長量(或總長)及所受的拉力(或掛鉤的質量），列表作出記錄，要盡可能多測幾組數據。（3）根據所測數據在坐標紙上描點，以彈力F為縱坐標，以彈簧的伸長量x為橫坐標。（4）按照在圖中所繪點的分布與走向，嘗試作出一條平滑的曲線（包括直線），所畫的點不一定正好在這條曲線上，但要注意使曲線兩側的點數大致相同。（5）以彈簧的伸長量為自變量，寫出曲線所代表的函數的解析式，首先嘗試一次函數，如果不行再考慮二次函數。4.數據處理（1）列表法：將測得的F,x填入設計好的表格中，可以發(fā)現彈力F與彈簧伸長量x的比值在誤差允許范圍內是相等的。（2）圖像法：以彈簧伸長量x為橫坐標，彈力F為縱坐標，描出F，x各組數據相應的點，作出的擬合曲線是一條過坐標原點的直線。（3）函數法：彈力F與彈簧伸長量x滿足F=kx的關系。5.注意事項（1）不要超過彈性限度：實驗中彈簧下端掛的鉤碼不要太多，以免彈簧被過度拉伸，超過彈簧的彈性限度。（2）盡量多測幾組數據：要使用輕質彈簧，且要盡量多測幾組數據。（3）觀察所描點的走向：本實驗是探究性實驗，實驗前并不知道其規(guī)律，所以描點以后所作的曲線是試探性的，只是在分析了點的分布和走向以后才決定用直線來連接這些點。（4）統一單位：記錄數據時要注意彈力及彈簧伸長量的對應關系及單位。6.誤差分析（1）鉤碼標值不準確、彈簧長度測量不準確帶來誤差。（2）畫圖時描點及連線不準確也會帶來誤差。三、情景探究類型一實驗原理與操作【典例1】如圖甲所示，用鐵架臺、彈簧和多個已知質量且質量相等的鉤碼探究在彈性限度內彈簧彈力與彈簧伸長量的關系。(1)為完成實驗，還需要的實驗器材有：________。(2)實驗中需要測量的物理量有：__________________________________________________________________。(3)圖乙是彈簧彈力F與彈簧伸長量x的Fx圖線，由此可求出彈簧的勁度系數為________N/m。圖線不過原點是由于________________________________________________________________________________。(4)為完成該實驗，設計的實驗步驟如下：A．以彈簧伸長量為橫坐標，以彈力為縱坐標，描出各組(x,F)對應的點，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把刻度尺；D．依次在彈簧下端掛上1個、2個、3個、4個……鉤碼，分別記下鉤碼靜止時彈簧下端所對應的刻度，并記錄在表格內，然后取下鉤碼；E．以彈簧伸長量為自變量，寫出彈力與伸長量的關系式，首先嘗試寫成一次函數，如果不行，則考慮二次函數；F．解釋函數表達式中常數的物理意義；G．整理儀器。請將以上步驟按操作的先后順序排列出來：____________________。[解析](1)根據實驗原理可知還需要刻度尺來測量彈簧原長和形變量。(2)根據實驗原理，實驗中需要測量的物理量有彈簧的原長、彈簧所受外力與對應的伸長量(或與彈簧對應的長度)。(3)取圖像中(0.5，0)和(3.5，6)兩個點，代入ΔF＝kΔx可得k＝200N/m，由于彈簧自身的重力，使得彈簧不加外力時就有形變量。(4)根據完成實驗的合理性可知，先后順序為CBDAEFG。[答案](1)刻度尺(2)彈簧原長、彈簧所受外力及對應的伸長量(或與彈簧對應的長度)(3)200彈簧自身重力的影響(4)CBDAEFG類型二數據處理和誤差分析【典例2】(2022·廣東實驗中學高一測試)某同學探究彈力與彈簧伸長量的關系。(1)將彈簧自然懸掛在鐵架臺上，將刻度尺豎直固定在彈簧一側，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10g砝碼，彈簧長度依次記為L1至L6，數據如下表所示：代表符號L0LxL1L2L3L4L5L6數值/cm表中有一個數值記錄不規(guī)范，代表符號為________。由表可知所用刻度尺的最小分度為________。(2)如圖所示是該同學根據表中數據作的圖像，縱軸是砝碼的質量，橫軸是彈簧長度與________(選填“L0”或“Lx”)的差值。(3)由圖可知彈簧的勁度系數為________N/m；通過圖像和表可知砝碼盤的質量為________g(結果保留兩位有效數字，重力加速度g取9.8m/s2)。(4)圖線明顯偏離直線，可能的原因是________。[解析](1)測量儀器是10分度的，需要估讀到最小精度的下一位，則此刻度尺的最小精度應為1mm，故L3讀數錯誤。(2)橫軸表示的是彈簧相對掛砝碼盤狀態(tài)的形變量，故為彈簧長度與Lx的差值。(3)由mg＝kx得圖像的斜率k′＝mx＝kg＝10×(4)圖線偏離直線的原因是掛鉤碼數偏多，使彈簧超過了彈性限度。[答案](1)靜止L31mm(2)Lx(3)4.910(4)超過了彈簧的彈性限度類型三創(chuàng)新實驗設計【典例3】(2022·湖南卷)小圓同學用橡皮筋、同種一元硬幣、刻度尺、塑料袋、支架等，設計了如圖(a)所示的實驗裝置，測量“冰墩墩”玩具的質量。主要實驗步驟如下：(1)查找資料，得知每枚硬幣的質量為6.05g。(2)將硬幣以5枚為一組逐次加入塑料袋，測量每次穩(wěn)定后橡皮筋的長度l，記錄數據如下表：序號12345硬幣數量n/枚510152025長度l/cm(3)根據表中數據在圖(b)上描點，繪制圖線。(4)取出全部硬幣，把“冰墩墩”玩具放入塑料袋中，穩(wěn)定后橡皮筋長度的示數如圖(c)所示，此時橡皮筋的長度為________cm。(5)由上述數據計算得“冰墩墩”玩具的質量為________g(計算結果保留三位有效數字)。[解析](3)根據表格標點連線如圖。(4)由題圖(c)可知刻度尺的分度值為1mm，故讀數l＝15.35cm。(5)設橡皮筋的勁度系數為k，原長為x0，則n1mg＝kl1-x0設“冰墩墩”的質量為m1，則有m1g＝kl－x0聯立各式代入數據可得m1≈127g。[答案](3)見解析(4)15.35(5)127四、學習效果1．某同學做“探究彈力和彈簧伸長的關系”的實驗。(1)將彈簧懸掛在鐵架臺上，將刻度尺固定在彈簧一側。彈簧軸線和刻度尺都應在________方向(選填“水平”或“豎直”)，讓刻度尺零刻度與彈簧上端平齊。(2)在彈簧下端掛1個鉤碼，靜止時彈簧長度為l1，如圖所示，圖乙是此時固定在彈簧掛鉤上的指針在刻度尺(最小分度是1mm)上位置的放大圖，示數l1＝________cm。(3)在彈簧下端分別掛2個、3個、4個、5個相同鉤碼，靜止時彈簧長度分別是l2、l3、l4、l5。已知每個鉤碼質量是50g，掛2個鉤碼時，彈簧彈力F2＝________N(當地重力加速度g取9.8m/s2)。(4)要得到彈簧伸長量x，還需要測量的是________。作出Fx曲線，得到彈力與彈簧伸長量的關系[解析](1)為保證彈簧的形變只由砝碼和砝碼盤的重力引起，故彈簧軸線和刻度尺均應在豎直方向(2)由題圖乙知l1＝25.85cm。(3)掛兩個鉤碼時，彈簧彈力F＝0.98N。(4)要測彈簧伸長量，還需要測量彈簧的原長。[答案](1)豎直(2)25.85(3)0.98(4)彈簧的原長2．某同學利用如圖(a)所示裝置做“探究彈力與彈簧伸長量的關系”的實驗。(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的關系圖線。由此圖線可得該彈簧的原長L0＝________cm，勁度系數k＝________N/m。(2)他又利用本實驗原理把該彈簧做成一把彈簧秤，當彈簧秤上的示數如圖(c)所示時，該彈簧的長度L＝________cm。[解析](1)當F＝0時，彈簧的長度即為原長，由題圖b可知原長L0＝4cm；由胡克定律可知圖像的斜率表示勁度系數的大小，由F＝kΔx得k＝FΔx＝8(2)由題圖c可知彈簧秤的示數為3.0N，則彈簧伸長量為x＝350則彈簧長度為L＝x＋L0，代入已知數據得L＝10cm。[答案](1)450(2)103．在“探究彈簧的彈力與伸長量之間關系”的實驗中，所用裝置如圖甲所示，將刻度尺水平放置，將輕彈簧的一端固定，另一端與力傳感器連接，其伸長量通過刻度尺測得，某同學的實驗數據如表格所示。伸長量x/(×102m)彈力F/N(1)以x為橫坐標、F為縱坐標，在圖乙的坐標紙上描繪出能正確反映彈簧的彈力與伸長量之間的關系圖像。(2)由圖線求得該彈簧的勁度系數為________(保留三位有效數字)。[解析](1)描點作圖，如圖所示。(2)根據圖像，該直線為過原點的一條傾斜直線，即彈簧彈力與伸長量成正比，圖像的斜率表示彈簧的勁度系數，k＝ΔFΔx[答案](1)見解析圖(2)75.0N/m(73.0～77.0N/m均可)4．(1)橡皮筋也像彈簧一樣，在彈性限度內伸長量x與彈力F成正比，即F＝kx，用如圖甲所示的裝置就可以測出橡皮筋的k值，下面的表格中記錄了橡皮筋受到的拉力F與伸長量x的實驗數據。其中實驗數據記錄有錯誤的是第________組。在圖乙中作出Fx圖像，由圖像可求得該橡皮筋的勁度系數k＝________N/m(結果保留兩位有效數字)。實驗小組12345拉力F/N510152025伸長量x/cm8(2)不同橡皮筋的k值一般不同，k值通常與橡皮筋未受到拉力時的長度L、橫截面積S有關，理論與實