2024年高中物理新教材同步講義選修第一冊講義第3章　1　第2課時　實驗：探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系　胡克定律

第2課時實驗：探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系胡克定律[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.學(xué)會探究彈簧彈力與形變量之間的關(guān)系。2.會利用列表法、圖像法、函數(shù)法處理實驗數(shù)據(jù)(重難點)。3.理解胡克定律，會應(yīng)用胡克定律解決實際問題，能根據(jù)F－x圖像求出彈簧的勁度系數(shù)(重點)。一、實驗：探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系1．實驗思路(1)彈簧彈力F的確定：在彈簧下端懸掛鉤碼，靜止的鉤碼所受彈力大小與所掛鉤碼的重力大小________，即F＝________。(2)彈簧伸長的長度x的確定：彈簧的原長l0與掛上鉤碼后彈簧的長度l可以用刻度尺測出，彈簧的伸長的長度x＝________。2．實驗器材鐵夾、彈簧、________________、鉤碼、鐵架臺、鉛筆、坐標(biāo)紙。3．實驗步驟(1)如圖所示，將彈簧的上端固定在鐵架臺的橫桿上，用刻度尺測出彈簧________________時的長度l0，即_________________。(2)在彈簧下懸掛一個鉤碼，平衡時記下彈簧的總長度l1和鉤碼的質(zhì)量m1。(3)增加鉤碼的個數(shù)，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．?dāng)?shù)據(jù)分析(1)數(shù)據(jù)記錄計算出每次彈簧伸長的長度x(x＝________________)和彈簧受到的拉力F(F＝mng)，并將數(shù)據(jù)填入表格。彈簧的原長l0＝________cm。鉤碼質(zhì)量m/g彈簧的彈力F/N彈簧長度l/cm彈簧伸長的長度x/cmeq\f(F,x)(N/m)123456(2)數(shù)據(jù)處理①建立如圖所示的直角坐標(biāo)系，以彈簧的彈力F為縱軸、以彈簧伸長的長度x為橫軸，選擇合適的單位長度，根據(jù)測量數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點。②按照圖中所繪點的分布，作出一條直線，所畫點不一定正好在這條直線上，但要注意使直線兩側(cè)的點數(shù)大致相同，得到F－x圖像。③以彈簧伸長的長度為自變量，寫出圖像所代表的函數(shù)________。④得出彈簧彈力和伸長的長度之間的定量關(guān)系。(3)實驗結(jié)論在彈性限度內(nèi)，彈簧發(fā)生彈性形變時，________________________________。5．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。6．注意事項(1)盡量選輕質(zhì)彈簧以減小彈簧________________帶來的影響。(2)實驗中彈簧下端掛的鉤碼不要太多，避免________________________________。(3)測量長度時，應(yīng)區(qū)別彈簧原長l0、實際長度l及形變量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________________時保持自由下垂?fàn)顟B(tài)，而不是平放在水平面上處于自然伸長狀態(tài)。(4)記錄數(shù)據(jù)時要注意彈簧的彈力及形變量的對應(yīng)關(guān)系及單位。(5)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)點均勻分布于線兩側(cè)，偏離太大的點應(yīng)舍去，描出的線不應(yīng)是折線，而應(yīng)是平滑的曲線或直線。例1某同學(xué)在豎直懸掛的彈簧下加掛鉤碼，做實驗研究彈簧彈力與伸長量的關(guān)系。他將實驗數(shù)據(jù)記錄在表格中。g取10N/kg。鉤碼質(zhì)量m/g0306090120150彈簧總長度l/cm6.07.28.39.510.611.8(1)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上作出彈簧彈力F與伸長量x關(guān)系的F－x圖像。(2)由F－x圖像寫出F－x函數(shù)表達式：______________。二、胡克定律1．彈性限度：如果形變過大，超過一定的限度，撤去作用力后物體________(填“能”或“不能”)完全恢復(fù)原來的形狀，這個限度叫作彈性限度。2．胡克定律(1)內(nèi)容：在彈性限度內(nèi)，彈簧發(fā)生彈性形變時，彈力F的大小跟____________________成正比，即F＝________。(2)理解：式中的x是指彈簧的________，不是彈簧的長度；k叫作彈簧的________________，單位是________________，符號是_______________________________________________。勁度系數(shù)是表示彈簧“軟”“硬”程度的物理量。只與________________有關(guān)，由彈簧本身的材料、長度、粗細、匝數(shù)等因素決定，與彈力F的大小和形變量x無關(guān)。例2(多選)關(guān)于胡克定律，下列說法正確的是()A．由F＝kx可知，在彈性限度內(nèi)彈力F的大小與彈簧形變量x的大小成正比B．由k＝eq\f(F,x)可知，勁度系數(shù)k與彈力F成正比，與彈簧的形變量x成反比C．彈簧的勁度系數(shù)k是由彈簧本身的性質(zhì)決定的，與彈力F的大小和彈簧形變量x的大小無關(guān)D．彈簧的勁度系數(shù)在數(shù)值上等于彈簧伸長(或縮短)單位長度時彈力的數(shù)值例3如圖所示為一輕質(zhì)彈簧的長度L和彈力F的關(guān)系圖像，試由圖像確定(1)彈簧的原長。(2)彈簧的勁度系數(shù)。(3)彈簧伸長15cm時，(在彈性限度內(nèi))彈力的大小。________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________例4某同學(xué)做“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”的實驗時，設(shè)計了如圖甲所示的實驗裝置，將待測彈簧的一端固定在鐵架臺上，然后將毫米刻度尺固定在彈簧一側(cè)，并使彈簧另一端的指針恰好落在刻度尺上。他先測出不掛鉤碼時彈簧的自然下垂長度，然后在彈簧下端依次掛1、2、3、4、5個鉤碼，測出彈簧相應(yīng)的總長度。每只鉤碼的質(zhì)量都是10g。實驗數(shù)據(jù)見下表。(g取10N/kg)鉤碼質(zhì)量m/g01020304050彈簧總長度l/cm3.003.504.004.505.005.50彈力大小F/N00.10.20.30.40.5(1)關(guān)于本實驗，下列說法正確的是________________________________________。A．懸掛鉤碼時，應(yīng)在鉤碼靜止后再讀數(shù)B．應(yīng)在彈簧的彈性限度范圍內(nèi)進行測量C．在安裝刻度尺時，必須使刻度尺保持豎直狀態(tài)D．在測量彈簧原長時，應(yīng)將彈簧平放在水平桌面上，使其自然伸長，并測出其長度(2)根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)，在圖乙所示的坐標(biāo)紙上，作出彈簧彈力大小F跟彈簧總長度l之間的關(guān)系圖像，并求出該彈簧的勁度系數(shù)k＝________N/m。(3)一個實驗小組在“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”的實驗中，使用兩條不同的輕質(zhì)彈簧a和b，得到彈簧彈力與彈簧長度的圖像如圖丙所示。下列表述正確的是________。A．a(chǎn)的原長比b的短B．a(chǎn)的勁度系數(shù)比b的小C．a(chǎn)的勁度系數(shù)比b的大D．測得的彈簧彈力與彈簧的長度成正比例5用如圖甲所示的裝置來探究胡克定律。輕質(zhì)彈簧的左端與固定在墻上的拉力傳感器連接，右端在水平拉力F的作用下從原長開始沿水平方向緩慢伸長，彈簧與水平面不接觸，通過刻度尺可以讀出彈簧的伸長量x，通過拉力傳感器可以讀出拉力F，多次測量F、x，作出F－x圖像如圖乙所示，回答下列問題：(1)當(dāng)彈力增大到一定程度時，圖像變彎曲，原因是_______________________________________________________________________