步步高2015一轮讲义：实验02探究弹力与弹簧伸长的关系

1、步步高2015 一轮讲义：实验02 探究弹力与弹簧伸长的关系考纲解读1.学会用列表法、图象法等处理实验数 据.2.探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系.基础回放要点整合回顾实验基本要求掌握数鋸处理毡巧和方法基本实验要求规律方法总结1.实验原理弹黄受到拉力会伸 长，平衡时弹簧产 生的弹力和外力大 小相等；弹簧的伸 长里越大，弹力也 就越大.1.实验数据处理方法(1)列表法将测得的F、x填入设 计好的表格中，可以发 现弹力F与弹簧伸长量 x的比值在误差允许范 围内是相等的.2.注意事项2. 实验器材铁架台、弹簧、钩 码、刻度尺、坐标纸.3. 实验步骤(1) 安装实验仪器 (见实验原理图).(2) 测量弹簧

2、的伸 长量(或总长)及所 受的拉力(或所挂 钩码的质量),列表 作出记录，要尽可 能多测几组数据.(3) 根据所测数据 在坐标纸上描点， 以力为纵坐标，以 弹簧的伸长量为横 坐标.图象法以弹簧伸长量x为横坐 标，弹力F为纵坐标， 描出F、x各组数据相 应的点，作出的拟合曲 线，是一条过坐标原点 的直线.函数法弹力F与弹簧伸长量x 满足F = kx的关系.(1) 不要超过弹性限度： 实验中弹簧下端挂的钩 码不要太多，以免弹簧 被过分拉伸，超过弹簧 的弹性限度.(2) 尽量多测几组数据：(4)按照在图中所 绘点的分布与走 向，尝试作出一条 平滑的曲线(包括 直线)，所画的点不 一定正好在这条曲 线

3、上，但要注意使 曲线两侧的点数大 致相同.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，如果不行再 考虑二次函数.要使用轻质弹簧，且要 尽量多测几组数据.(3) 观察所描点的走向： 本实验是探究性实验， 实验前并不知道其规 律，所以描点以后所作 的曲线是试探性的，只 是在分析了点的分布和 走向以后才决定用直线 来连接这些点.(4) 统一单位：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.误差分析(1)钩码标值不准确、弹 簧长度测量不准确带来误差.(2)画图时描点及连线 不准确也会带来误差.课堂探究 考点突破先做后听 共同棵究规逮方法考点一实验原理及误差分

4、析例1如图1甲所示，用铁架台、弹簧和多个已 知质量且质量相等的钩码探究在弹性限度 内弹簧弹力与弹簧伸长量的关系.6 2TirlT- T Ml J-IJ-1图1(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.图线不过原点的原因是由于(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

5、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：解析 (1)根据实验原理可知还需要刻度尺来 测量弹簧原长和形变量； (2)根据实验原理， 实 验中需要测量的物理量有弹簧的原长、 弹簧挂 不同个数的钩码时所对应的伸长量(或对应的弹簧长度 )； (3)取图象中 (0

6、.5,0)和 (3.5,6)两个 点，代入F = kx可得k= 200 N/m，由于弹簧 自重的原因，使得弹簧不加外力时就有形变 量. (4)根据完成实验的合理性可知先后顺序为CBDAEFG. 答案（1）刻度尺（2）弹簧原长、弹簧挂不同 个数的钩码时所对应的伸长量（或对应的弹簧 长度）（3）200 弹簧自身存在重力（4）CBDAEFG考点二实验过程及数据处理例2 （2012 广东34（2）某同学探究弹力与弹簧伸长量的关系. 将弹簧悬挂在铁架台上，将刻度尺固定在弹簧一侧.弹簧轴线和刻度尺都应在 方向（填“水平”或“竖直”）. 弹簧自然悬挂，待弹簧时，长度记为Lo；弹簧下端挂上砝码盘时，长度记为

7、Lx； 在砝码盘中每次增加10 g砝码，弹簧长度依 次记为Li至L6，数据如下表：代表符号LoLxL1L2L3L4L5L6数值2527.29313335.37.39.(cm).335.3.3.4354030550表中有一个数值记录不规范，代表符号为.由表可知所用刻度尺的最小分度为 图2为该同学根据表中数据作的图，纵轴是砝码的质量，横轴是弹簧长度与的差值（填“L。”或“ Lx”） 由图可知弹簧的劲度系数为 N/m;通过图和表可知砝码盘的质量为g结果保留两位有效数字，重力加速度取 9.8 m/s2）.解析 悬挂法测量弹簧的弹力时，弹簧轴线和刻度尺应在竖直方向上，当弹簧静止时,读出弹簧的原长，此时误

8、差较小；表中数据L3与其他数据有效位数不同，所以数据L3不规范，由表格中的数据可知刻度尺的最小刻度 为1 mm ；图象经过坐标原点，纵轴是砝码 的质量，则横轴为与所挂砝码质量相对应的弹 簧的伸长量，所以横轴是弹簧长度与Lx的差值.由图象知，弹簧的劲度系数为k=戈= 60X 10-3x 9.8厂 N/m = 4.9 N/m，砝码盘的质量12X10-2k Lx Lom=0.01 kg= 10 g.答案竖直静止 Ls 1 mmLx 4.9 10创新实验设计例3在“探究弹力和弹簧伸长量的关系，并测 定弹簧的劲度系数”的实验中，实验装置如 图3所示.所挂钩码的重力相当于对弹簧提 供了向右的恒定拉力.实验

9、时先测出不挂钩 码时弹簧的自然长度，再将5个钩码逐个挂 在绳子的下端，每次测出相应的弹簧总长 度.Tllt图3(1) 有一个同学通过以上实验测量后把 6组数 据描点在坐标系图4中，请作出F L图线.卜“+卜卄十卜”L J.I卜HLL J-LLiLJJ.*Ji.HTxtlr LrmFrKLIrFr- JI -I J11 * AI + IT + JIT4 1 T4IT -L厂卜 F 卜J.i厂l-I 十二工十工-14-H- d-IT JIT J-r k-hT _r Xk-T fc- Xi T-1IFHH JIT 1-liT -lllrl-r-r=1-14 Jl-r nj:卜卜mlt. -f图4(2

10、) 由此图线可得出该弹簧的原长Lo =cm,劲度系数 k=N/m.(3) 试根据该同学以上的实验情况，帮助他设 计一个记录实验数据的表格(不必填写其实验 测得的具体数据).(4) 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)F L图线如图所示:F7N2.0L60,8040.I-丄-I -J_k- I. Ji -l_ i- J. -L -l-U 匕丄J-.*_1_l_i-1 -i -i-i-1 -t -ir r t-t-r-n -r- p-t-t -i- r+ r -r t t -i.L. X.LX. JL.X J L!.L-fH+FH+l-HH+FH+Hl+

11、FH+Hd 卄汨十+十卜十叶卜卜+!-；-冷彳-H暑十bH I- b- )14 SH|9-4 * slaWle * * * *I I I I I LI I il I U I II I I I I I II II I I I I I | 了卜 t i-r rl-rrf Fh-T-j-T F-rrr广 TrFs4r 卜4 十f +卜 -I+U+H+卜1十事1 z、4鼻J f AV Is J Lb 丿 4 ! l_ 4-4-h-4 4亠 1-4 J -l- k- b. J 亠 I- * J -L i- 4- -IirrT -i-ir-r- 叶l+Hrm_rr卜4盘卜卜卅1卅H卜*廿出 厂 tt nn

12、rrT T-i_rT 1 厂 t i rrT i -*-b-i- +F q + I- + Y + -I510152025(2) 弹簧的原长Lo即弹力为零时弹簧的长度，由图象可知，Lo = 5X 10 2 m= 5 cm.劲度系数为图象直线部分的斜率，k = 20N/m.(3 )记录数据的表格如下表次数123456弹力F/N弹簧的长度 L/( x 10-2 m)(4)优点是：可以避免弹簧自身重力对实验的 影响.缺点是：弹簧与桌面及绳子与滑轮间存在的 摩擦会造成实验误差.答案(1)见解析图(2)5 20 (3)、(4)见解学科索养培养一物理思想方法8.用图象法处理实验数据图象法是一种重要的实验数据

13、处理方法.图象 具有既能描述物理规律，又能直观地反映物理 过程、表示物理量之间定性定量关系及变化趋 势的优点.当前高考试题对数据处理、结果分 析考查的频率较高.多省高考题涉及了图象的 考查.作图的规则：(1) 要在坐标轴上标明轴名、单位，恰当地选取 纵轴、横轴的标度，并根据数据特点适当确定 坐标起点，使所作出的图象几乎占满整个坐标 图纸 若弹簧原长较长， 则横坐标起点可以不 从零开始(2) 作图线时，尽可能使直线通过较多所描的 点，不在直线上的点也要尽可能对称分布在直 线的两侧 (若有个别点偏离太远，则是因偶然 误差太大所致，应舍去 )(3) 要注意坐标轴代表的物理量的意义， 注意分 析图象的

14、斜率、 截距的意义 要理解斜率和截 距的意义可以解决什么问题例 4 某实验小组做“探究弹力与弹簧伸长量的 关系”的实验 实验时， 先把弹簧平放在桌 面上，用直尺测出弹簧的原长 Lo = 4.6 cm, 再把弹簧竖直悬挂起来， 在下端挂钩码， 每 增加一只钩码均记下对应的弹簧的长度 x， 数据记录如下表所示 .钩码个数12345弹力F/N1.02.03.04.05.0弹簧的长7.9.11.13.15.度 x/cm00000(1)根据表中数据在图5中作出F x图线;图5(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Lo的原因是解析(1)用作图法研究弹簧的弹力与其

15、伸长 量的关系，由于实验误差，依据实验数据描出 的点有时不会完全在一条直线上.这时所作直线应尽量多的通过这些点，并使不在直线上的点尽量均匀分布在所作直线两侧.明显与其他 的点相差很远的点应该舍去.该题中所给出的 数据恰好可以在一条直线上，所以直接描点由 直尺作图即可.(2) 在弹性限度内，弹簧的弹力与弹簧的伸长量 成正比由AF = kAx得k=，即图线的斜 率为弹簧的劲度系数.(3) 由于弹簧有一定重量，将其自然悬挂时的长 度与平放时的长度不一样，平放时稍短一些.量取Lo时，应将弹簧一端固定在铁架台 上的铁夹上，让其自然下垂，再用毫米刻度尺 量得其自然状态下的原长.答案如图所示(2)50 (3

16、)弹簧自身重力的影响随堂训练能力达标检验课堂效果提升解题能力1 如图6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,如图乙所示.则下列判断正确的是()甲20710Z9/ IC-5/51015xi21020乙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200 N/mD. 该弹簧受到反向压力时，劲度系数不变 答案 BCD解析 由题图乙可知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 養=k&

17、可知，B正确；由k= X20=01 N/m = 200 N/m，C 正确；F x 图线的斜率对应弹簧的劲度系数，x0和x0时的斜率相同，故D正确.2为了探究弹簧弹力F与弹簧伸长量x的关系, 某同学选了 A、B两根规格不同的弹簧进行 测试，根据测得的数据绘出如图7所示的图 象，从图象上看，该同学没能完全按实验要求做，使图象上端成为曲线，图象上端成为 曲线是因为: B弹簧的劲度系数为.若要制作一个精确度较高的弹簧测力计，应选弹簧（填A或B）.图7答案拉力过大，超过了弹簧的弹性限度100 N/m A解析 在弹簧的弹性限度以内，弹力与形变量 是成正比的，图象上端出现弯曲是因为拉力过大，超过了弹簧的弹性

18、限度由胡克定律得 x=k，则图线斜率的倒数等于弹簧的劲度系数，8 Nk= 8cm= 100 N/m.精确度高意味着相同拉力8 cm下形变量大，相同刻度线下最小分度值小，故应选用劲度系数小的弹簧A.3我校同学们在研究性学习中，利用所学的知 识解决了如下问题：一轻弹簧竖直悬挂于深度为h = 25.0 cm,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），如图8 甲所示，如果本实验的长度测量工具只能测 量出伸出筒的下端部分弹簧的长度I，现要测 出弹簧的原长Io和弹簧的劲度系数，同学们 通过改变I而测出对应的弹力F，作出F I 的图线如图乙所示，贝U弹簧的劲度系数为k=N/m，弹簧的原长I

19、o =m.?0|10 20 30 40ijcm甲C答案 1000.154为了测量某一弹簧的劲度系数，将该弹簧竖 直悬挂起来，在自由端挂上不同质量的砝 码.实验测出了砝码质量 m与弹簧长度I 的相应数据，其对应点已在图9上标出.(g=9.8 m/s2)图9(1) 在图9上作出m I的关系图线；(2) 弹簧的劲度系数为N/m(结果保留三位有效数字).答案见解析 解析如图所示(2)根据图象的斜率可以求得弹簧的劲度系数:Ang= kAl，贝V k =AnATg2.5X 10-3218.0-&6 X 1Q-2X 9.8 N/m = 0.261 N/m（在 0.258 N/m 0.266N/m之间均正确)5 某同学利用弹簧测力计、小车、砝码、钩码、 木块和带有定滑轮的长木板等器材探究滑 动摩擦力Ff与正压力Fn之间的关系，实验 装置如图10所示该同学主要的实验步骤 如下：图10a. 将一端带有定滑轮的长木板放在水平桌面上，在细绳一端挂适量的钩码，使其能够带动小车向右运动；b. 多次改变木块上砝码的个数，并记录多 组数据；c. 进行数据处理，得出实验结论. 请回答下列问题：(1) 实验中应测量木块和木块上砝码的总重 力，并记录 (