高考物理大一轮复习第二章相互作用实验二探究弹力和弹簧伸长的关系课件

实验二 探究弹力和弹簧伸长的关系,实验基础,热点定位,跟踪训练,实验基础理解落实 夯基础,注意事项 1.对钩码的要求 (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. (2)每次所挂钩码的质量差尽量大一些,从而使坐标上描的点尽可能稀,这样作出的图线更精确. 2.测量与记录数据 (1)测弹簧长度时,一定要在弹簧竖直悬挂且处于平衡状态时测量. (2)记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位. 3.画图像 描点画线时,所描的点不一定都落在一条线上,但应注意一定要使尽可能多的点落在线上,其余各点均匀分布在线的两侧. 误差分析 1.弹簧测力计本身不够准确造成系统误差. 2.弹簧测力计读数和作图不准造成偶然误差.,热点定位重点透析 通热点,热点一 实验原理与操作 【例1】 (2016山东临沂模拟) (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.,(4)为完成该实验,设计的实验步骤如下: 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l0; 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,写出弹力与弹簧伸长量的关系式.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: .,核心点拨 (1)实验中需要确定弹簧的长度及弹簧的伸长量. (2)先测出不挂钩码时弹簧的自然长度l0,再测出悬挂钩码后弹簧的长度l,则x=l-l0. (3)F-x图线为直线,说明其斜率为一常数,该数值即为弹簧的劲度系数.,解析:(1)弹簧的原长、悬挂钩码后弹簧的长度都需要测量,因此还需要的实验器材为刻度尺. (2)实验中需要确定弹力的大小以及对应的弹簧的伸长量,因此,实验中需要测量的物理量有弹簧的原长、所挂钩码的重力以及与之对应的弹簧的长度.,(4)实验步骤顺序可简化为固定装置测原长l0测总长作图像猜想函数关系联系实际得出结论实验结束,所以操作步骤的顺序为CBDAEFG.,答案:(1)刻度尺 (2)弹簧原长、所挂钩码重力以及与之对应的弹簧长度 (3)200 (4)CBDAEFG,【教师备用】 在“探究弹力和弹簧伸长的关系”时,某同学把两根弹簧如图(1)连接起来进行探究.,(1)某次测量如图(2)所示,指针示数为 cm. (2)在弹性限度内,将50 g的钩码逐个挂在弹簧下端,得到指针A,B的示数LA和LB如表.用表中数据计算弹簧的劲度系数为 N/m(重力加速度g=10 m/s2).由表中数据 (填“能”或“不能”)计算出弹簧的劲度系数.,解析：(1)刻度尺的最小刻度是1 mm,且要估读到下一位,由图可以看出指针的示数为16.00 cm. (2)由表格可知弹簧的长度的变化量x1=4.00 cm,x2=3.95 cm, x3=4.10 cm,平均值x4.02 cm,由胡克定律可知k= 12.44 N/m.同理可以计算出弹簧的劲度系数.,答案:(1)16.00 (2)12.44 能,热点二 实验数据处理与误差分析 【例2】 某实验小组在探究弹力与弹簧伸长量的关系时,先把弹簧平放在桌面上,用刻度尺测出弹簧的原长L0=4.6 cm,再把弹簧竖直悬挂起来,在下端挂钩码,每增加一个钩码均记下对应的弹簧长度x,数据记录如下表所示.,(1)根据表中数据在图中作出F-x图线;,核心点拨 (1)将各组对应数据在坐标系中描点后过这些点作图线.,解析:(1)先将5组F,x的对应数据在坐标系中描点,然后用一条直线拟合这些点,如图所示.,答案:(1)见解析,(2)由此图线可得,该弹簧劲度系数k= N/m; (3)图线与x轴的交点坐标大于L0的原因是 .,核心点拨 (2)弹簧的劲度系数应等于F-x图线的斜率. (3)弹簧竖直悬挂且不挂钩码时的长度应为实验中弹簧的原长.,(3)图线与横坐标的交点为x0=5.0 cm,这是由于弹簧竖直悬挂时,自身重力的影响,使弹簧原长比平放时伸长了.,答案:(2)50 (3)弹簧自身重力的影响,【教师备用】 (2016江西南昌一模)某物理实验小组在探究弹簧的劲度系数k与其原长l0的关系实验中,按示意图所示安装好实验装置,让刻度尺零刻度与轻质弹簧上端平齐,在弹簧上安装可移动的轻质指针P,实验时的主要步骤是:,将指针P移到刻度尺l01=5 cm处,在弹簧挂钩上挂上200 g的钩码,静止时读出指针所指刻度并记录下来; 取下钩码,将指针P移到刻度尺l02=10 cm处,在弹簧挂钩上挂上250 g的钩码,静止时读出指针所指刻度并记录下来; 取下钩码,将指针P移到刻度尺l03=15 cm处,在弹簧挂钩上挂上50 g的钩码,静止时读出指针所指刻度并记录下来重复进行,每次都将指针P下移5 cm,同时保持挂钩上挂的钩码质量不变. 将实验所得数据记录、列表如下:,根据实验步骤和列表数据,回答下列问题: (1)重力加速度g取10 m/s2.在次数3中,弹簧的原长为15 cm 时,其劲度系数k3= N/m.,解析:(1)弹簧的原长为l03=15 cm时,挂钩上挂的钩码质量为50 g,所受拉力F3=m3g=0.5 N,弹簧长度l3=16.67 cm,弹簧伸长x3=l3-l03=1.67 cm.根据胡克定律F=kx,解得k3=30 N/m.,答案:(1)30,(2)同一根弹簧所取原长越长,弹簧的劲度系数 (弹簧处在弹性限度内). A.不变 B.越大 C.越小 D.无法确定,解析:(2)弹簧的原长为l05=25 cm时,挂钩上挂的钩码质量为50 g,所受拉力F5=m5g=0.5 N,弹簧长度l5=30.56 cm,弹簧伸长x5=l5-l05=5.56 cm.根据胡克定律F=kx,解得k5=9 N/m.由此可知,同一根弹簧所取原长越长,弹簧的劲度系数越小,选项C正确.,答案:(2)C,热点三 实验创新与改进,新题体验,1.(2016江西宜春联考)某同学利用图(甲)所示装置研究弹簧弹力与形变的关系.设计的实验如下:A,B是质量均为m0的小物块,A,B间由轻弹簧相连,A的上面通过轻绳绕过两个定滑轮与一个轻质挂钩相连.挂钩上可以挂上不同质量的物体C.物块B下放置一压力传感器.物体C右边有一个竖直的直尺,可以测出挂钩下移的距离.整个实验中弹簧均处于弹性限度内,重力加速度g=9.8 m/s2.实验操作如下:,不悬挂物块C,让系统保持静止,确定挂钩的位置O,并读出压力传感器的示数F0; 每次挂上不同质量的物块C,用手托出,缓慢释放.测出系统稳定时挂钩相对O点下移的距离xi,并读出相应的压力传感器的示数Fi; 以压力传感器示数为纵轴,挂钩下移距离为横轴,根据每次测量的数据,描点作出Fx图像如图(乙)所示.,(1)由图像可知,在实验误差范围内,可以认为弹簧弹力与弹簧形变量成 (填“正比”“反比”或“不确定关系”); (2)由图像可知,弹簧劲度系数k= N/m.,解析:(1)小物块B处于平衡状态,压力传感器的示数不同时,则弹簧的弹力不同,即弹簧的形变量不同,压力传感器示数的变化量F就是弹簧弹力的变化量F;挂钩下移的距离x就是弹簧长度的改变值;由于图线为直线,斜率 为定值,且斜率的大小就是劲度系数,所以认为弹簧弹力与弹簧形变量成正比.,答案:(1)正比 (2)98,2.橡皮筋也像弹簧一样,在弹性限度内,伸长量x与弹力F成正比,即F=kx,k的值与橡皮筋未受到拉力时的长度L、横截面积S有关,理论与实践都表明k=Y ,其中Y是一个由材料决定的常数,材料力学上称之为杨氏模量. (1)在国际单位制中,杨氏模量Y的单位应该是 . A.N B.m C. N/m D.Pa,答案:(1)D (2)毫米刻度尺 螺旋测微器,(2)有一段横截面是圆形的橡皮筋,应用如图所示的实验装置可以测量出它的杨氏模量Y的值.首先利用测量工具a测得橡皮筋的长度L=20.00 cm,利用测量工具b测得橡皮筋未受到拉力时的直径D=4.000 mm,那么测量工具a应该是 ,测量工具b应该是 .,(2)根据精确度判断可知a为毫米刻度尺,b为螺旋测微器.,(3)下面的表格是橡皮筋受到的拉力F与伸长量x的实验记录.,请作出F-x图像,由图像可求得该橡皮筋的劲度系数k= N/m.,(4)这种橡皮筋的Y值等于 .,答案:(3)图见解析 3.1102 (4)5106 Pa,跟踪训练即时巩固 测效果,1.两个实验小组在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中,他们先把弹簧平放在桌面上使其自然伸长,用直尺测出弹簧的原长l0,再把弹簧竖直悬挂起来,挂上钩码后测出弹簧伸长后的长度l,把l-l0作为弹簧的伸长量x. (1)这样操作,由于弹簧自身重力的影响,最后画出的F-x图线可能是下列图中的 .,解析:(1)由于弹簧自身重力的影响,当不挂钩码时,弹簧的伸长量x0,所以选项C正确.,答案:(1)C,(2)两个实验小组使用的两条轻质弹簧a和b是不同的,得到弹力F与弹簧长度l的图像如图所示.下列表述正确的是 . A.a的原长比b的长 B.a的劲度系数比b的大 C.a的劲度系数比b的小 D.测得的弹力与弹簧的长度成正比 (3)关于该实验,以下说法正确的是 . A.弹簧被拉伸时,所挂钩码越多,误差越小 B.用悬挂钩码的方法给弹簧施加拉力,应保证弹簧位于竖直位置且处于平衡状态 C.用直尺测得弹簧的长度即为弹簧的伸长量 D.用几个不同的弹簧,分别测出几组拉力与伸长量,得出拉力与伸长量之比相等,解析:(2)由于图像中横轴为弹簧长度,则横轴截距表示弹簧的原长,l2l1,故选项A错误;图线的斜率表示弹簧的劲度系数,a的斜率大于b的斜率,故选项B正确,C错误;图像不过原点,说明弹力与弹簧长度不成正比,故选项D错误.(3)实验中应以所研究的一根弹簧为实验对象,在弹性限度内通过增减钩码的数目来改变对弹簧的拉力,以探索弹力与弹簧伸长的关系,并且拉力和重力平衡.实验中所挂钩码不能太多,所测弹簧长度不是伸长量,则选项B正确.,答案:(2)B (3)B,2.(2017山东师大附中模拟)某同学用如图(甲)所示装置做“探究弹力和弹簧伸长关系”的实验.他先测出不挂钩码时弹簧下端指针所指的标尺刻度,然后在弹簧下端挂上钩码,并逐个增加钩码,测出指针所指的标尺刻度,所得数据如下表(重力加速度g取9.8 m/s2),(1)根据所测数据,在图(乙)中作出弹簧指针所指的标尺刻度x与钩码质量m的关系曲线. (2)根据所测得的数据和关系曲线可判断,在 N范围内弹力大小与弹簧伸长关系满足胡克定律.这种规格的弹簧劲度系数为 N/m.,解析:(1)纵坐标取15 cm为起点,然后在坐标纸上依次描点(0,15.00), (1.00,18.94),(2.00,22.82)然后用平滑的曲线连接各点,如图所示.,(2)由x-m图像可以看出,所挂钩码质量小于500 g时(弹力04.9 N)范围内,图线为一条倾斜直线,表明此时弹力大小与弹簧伸长成线性关系,即满足胡克定律F=kx,据此可以计算出弹簧的劲度系数k= =25.0 N/m.,答案:(1)见解析图 (2)04.9 25.0,3.某同学探究弹力和弹簧伸长量的关系,并测弹簧的劲度系数k.做法是先将待测弹簧的一端固定在铁架台上,然后将最小刻度是毫米的刻度尺竖直放在弹簧一侧,并使弹簧另一端的指针恰好落在刻度尺上.当弹簧自然下垂时,指针指示的刻度数值记作l0,弹簧下端挂一个50 g的钩码时,指针指示的刻度数值记作l1;挂两个50 g的钩码时,指针指示的刻度数值记作l2;挂七个50 g的钩码时,指针指示的刻度数值记作l7. (1)下表记录的是该同学已测出的6个值,其中有两个数值在记录时有误,它们的代表符号分别是 和 .,测量记录表,答案:(1)l5 l6,解析:(1)由于刻度尺的最小刻度为1毫米.读数时,应估读到毫米的下一位,故l5,l6记录有误.,(2)实验中,l3和l7两个值还没有测定,请你根据图示将这两个测量值填入记录表中. (3)为充分利用测量数据,该同学将所测得的数值按如下方法逐一求差,分别计算出了三个差值:d1=l4-l0=6.90 cm,d2=l5-l1=6.90 cm,d3=l6-l2=7.00 cm. 请你给出第四个差值:d4= = cm. (4)根据以上差值,可以求出每增加50 g钩码弹簧的平均伸长量l.l用d1,d2, d3,d4表示的式子为l= ,代入数据解得l= cm. (5)弹簧的劲度系数k= N/m(g取9.8 m/s2).,解析: (2)由图示得l3=6.85 cm,l7=14.05 cm. (3)由l3,l7的数值,可得d4=l7-l3=7.20 cm.,答案:(2)6.85(6.846.86均可) 14.05(14.0414.06均可) (3)l7-l3 7.20(7.187.22均可) (4) 1.75 (5)28,4.某同学在研究性学习中,利用所学的知识解决了如下问题:一轻弹簧一端固定于某一深度为h=0.25 m、且开口向右的小筒中(没有外力作用时弹簧的另一端位于筒内),如图(甲)所示,如果本实验的长度测量工具只能测量出距筒口右端弹簧的长度l,现要测出弹簧的原长l0和弹簧的劲度系数,该同学通过改变挂钩码的个数来改变l,作出F-l变化的图线如图(乙)所示.,(1)由此图线可得弹簧原长l0= m,弹力与弹簧的伸长量成 . (2)弹簧的劲度系数为 N/m. (3)该同学实验时,把弹簧水平放置与弹簧悬挂放置相比较,优点在于: ; 缺点在于: .,解析:(1)将图线延长,与l轴交点为-10 cm,即弹簧右端点距筒口为10 cm,则弹簧原长l0=0.15 m,将坐标轴F平移到-10 cm处,横轴改为弹簧的伸长量,可知弹力与弹簧伸长量成正比.(2)由于F=kx