高三物理实验课件：探究弹力与弹簧伸长量的关系.ppt

实验目的 1 探究弹力和弹簧伸长量之间的关系 2 学会利用图象法处理实验数据 实验原理 1 如图1所示 在弹簧下端悬挂钩码时弹簧会伸长 平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码的重力大小相等 实验二探究弹力和弹簧伸长量的关系 要点归纳 图12 弹簧的长度可用刻度尺直接测出 伸长量可以由拉长后的长度减去弹簧原来的长度进行计算 这样就可以研究弹簧的弹力和弹簧伸长量之间的定量关系了 实验器材 铁架台 弹簧 毫米刻度尺 钩码若干 三角板 坐标纸 重垂线 铅笔 实验步骤 1 将弹簧的一端挂在铁架台上 让其自然下垂 用刻度尺测出弹簧自然伸长状态时的长度l0 即原长 2 如图2所示 在弹簧下端挂质量为m1的钩码 量出此时弹簧的长度l1 记录m1和l1 填入自己设计的表格中 图2 3 改变所挂钩码的质量 量出对应的弹簧长度 记录m2 m3 m4 m5和相应的弹簧长度l2 l3 l4 l5 并得出每次弹簧的伸长量x1 x2 x3 x4 x5 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 写出曲线所代表的函数 首先尝试一次函数 如果不行则考虑二次函数 3 得出弹力和弹簧伸长之间的定量关系 解释函数表达式中常数的物理意义 误差分析 1 弹簧拉力大小的不稳定会造成误差 因此 使弹簧的悬挂端固定 另一端通过悬挂钩码来充当对弹簧的拉力 待稳定后再读数可以提高实验的准确度 2 尽量精确地测量弹簧的长度 也是减小实验误差的基本方法 3 描点 作图不准确 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尽量大一些 从而使坐标上描的点的间距尽可能大 这样作出的图线更精确 3 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 以免增大误差 4 描点画线时 所描的点不一定都落在一条曲线上 但应注意一定要使各点均匀分布在曲线的两侧 5 记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位 例1 某同学用如图3所示装置做探究弹力和弹簧伸长关系的实验 他先测出不挂砝码时弹簧下端指针所指的标尺刻度 然后在弹簧下端挂上砝码 并逐个增加砝码 测出指针所指的标尺刻度 所图3得数据列表如下 重力加速度g 9 8m s2 典例剖析 1 根据所测数据 在图4坐标纸上作出弹簧指针所指的标尺刻度x与砝码质量m的关系曲线 图4 2 根据所测得的数据和关系曲线可以判断 在 范围内 弹力大小与弹簧伸长关系满足胡克定律 这种规格弹簧劲度系数为 n m 思路点拨 1 在坐标纸上描点 然后根据各点的分布与走向 用平滑的曲线 或直线 连接各点 2 满足胡克定律的应是图线中的直线部分 解析 1 如图所示 2 根据图线可以看出 当m 5 00 102g 0 5kg时 标尺刻度x与砝码质量m成一次函数关系 所以当f mg 4 9n范围内弹力大小与弹簧伸长关系满足胡克定律 图线斜率的大小在数值上等于弹簧的劲度系数k 则k 25n m 答案 1 见解析 2 0 4 9n25 例2 用一个支架 一根弹簧 一把直尺和一个已知质量的钩码 来测定某个不太重的物体有多重 该怎么做 解析 1 将弹簧上端固定在支架上 下端挂上钩码 质量已知为m 测出弹簧伸长x 2 将钩码取下换上待测物体 测出弹簧伸长x 3 待测物体的重力答案见解析 例3 用金属制成的线材 如钢丝 钢筋 受到拉力会伸长 十七世纪英国物理学家胡克发现 金属丝或金属杆在弹性限度内它的伸长与拉力成正比 这就是著名的胡克定律 这一发现为后人对材料的研究奠定了重要基础 现有一根用新材料制成的金属杆 长为4m 横截面积为0 8cm2 设计要求它受到拉力后的伸长不超过原长的1 1000 问最大拉力多大 由于这一拉力很大 杆又较长 直接测试有困难 选用同种材料制成样品进行测试 通过测试取得数据如下 创新实验 1 测得结果表明线材受拉力作用后 其伸长与材料的长度成 与材料的截面积成 2 上述金属细杆承受的最大拉力为 n 解析 1 由题中列表可看出 材料样品的伸长量与材料的长度成正比 与材料的截面积成反比 伸长 拉力 截面积 2 由表可看出 材料一定长 一定截面积时 拉力与伸长量的比例为定值 设1m长 截面积为0 05cm2的比例系数为k12m长 截面积为0 05cm2的比例系数为k21m长 截面积为0 10cm2的比例系数为k3 由k1 k2 k3的值可得 比例系数k与长度l成反比 与截面积s成正比 故设4m长 截面积为0 8cm2的比例系数为k0解得k0 2 5 106n m又金属细杆最大伸长量为所以金属细杆承受的最大拉力为fm k0 xm 2 5 106 4 10 3n 104n答案 1 正比反比 2 104 1 如图5甲所示 一个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大小的关系图象 如图乙 则下列判断正确的是 图5 素能提升 a 弹簧产生的弹力和弹簧的长度成正比b 弹簧长度的增加量与对应的弹力增加量成正比c 该弹簧的劲度系数是200n md 该弹簧受到反向压力时 劲度系数不变解析由乙图可知f kx 即弹簧的弹力和弹簧的形变量成正比 不与弹簧长度成正比 a错误 由 f k x可知 b说法正确 由c正确 f x图线的斜率对应弹簧的劲度系数 而x 0和x 0时的斜率相同 故d正确 答案bcd 2 某同学在做 探究弹力和弹簧伸长量的关系 实验中 他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 这样操作 由于弹簧自身重力的影响 最后画出的图线可能是下图中的哪一个 解析由于考虑弹簧自身重力的影响 当不挂钩码时 弹簧的伸长量x 0 所以选c c 3 做 探究弹力和弹簧伸长量的关系 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 描出各组数据 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 也可在横梁的另一侧挂上一定的配重 并将弹簧的一端系于横梁上 在弹簧附近竖直固定一刻度尺 d 依次在弹簧下端挂上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 解析根据实验的实验操作过程应先安装仪器 再挂钩码然后记录数据 分析数据 最后整理即可 排列先后顺序为 cbdaefg cbdaefg 4 某同学在研究学习中 利用所学的知识解决了如下问题 一轻弹簧竖直悬挂在某一深度为h 25 0cm 且开口向下的小筒中 没有外力作用时弹簧的下部分位于筒内 但测力计可以与弹簧的下端接触 如图6甲所示 如果本实验的长度测量工具只能测出筒的下端弹簧的长度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l而测出对应的弹力f 作出f l变化的图线如图6乙所示 则弹簧的劲度系数为 n m 弹簧的原长l0 cm 图6解析根据胡克定律f k h l l0 kl k h l0 从图中知道当l 0时 f 10n 当l 10cm时 f 20n 将其代入方程联立得k 100n m l0 15 0cm 答案10015 0 5 用纳米技术处理过的材料叫纳米材料 其性质与处理前相比会发生很多变化 如机械性能会成倍地增加 对光的反射能力会变得很低 熔点会大大地降低 甚至有特殊的磁性质 现有一纳米合金丝 欲测出其伸长量x与所受到的拉力f 长度l 截面直径d的关系 1 测量上述物理量需要的主要器材是 等 2 若实验中测量的数据如下表 根据这些数据请写出x与f l d间的关系式 x 若用到比例系数 可用k表示 3 在研究并得到上述关系的过程中 主要运用的科学研究方法是 只需写出一种 4 若有一根合金丝的长度为20cm 截面直径为0 200mm 使用中要求其伸长量不能超过原长的百分之一