2022版高考物理一轮复习第二章相互作用实验二探究弹簧弹力与形变量的关系

实验二探究弹簧弹力与形变量的关系一、实验目的1．探究弹力和弹簧伸长量的关系。2．学会利用图象法处理实验数据，探究物理规律。二、实验原理与要求[基本实验要求]1．实验原理弹簧受到拉力作用会伸长，平衡时弹簧产生的弹力和外力大小相等；弹簧的伸长量越大，弹力也就越大。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(如实验原理图所示)。(2)测量弹簧的伸长量(或总长)及所受的拉力(或所挂钩码的质量)，列表做出记录，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。(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上，但要注意使曲线两侧的点数大致相同。(5)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。[规律方法总结]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)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。(3)函数法弹力F与弹簧伸长量x满足F＝kx的关系。2．注意事项(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：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的。(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。命题点一教材原型实验

实验原理与操作[典例1]

如图甲所示，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。(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图象，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________________。[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(0.5cm,0)和(3.5cm,6N)两个点，代入F＝kx，可得k＝200N/m，由于弹簧自身存在重力，使得弹簧不加外力时就有形变量。[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)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l0C．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：_____________。[解析]

(4)根据完成实验的合理性可知先后顺序为CBDAEFG。[答案]

(4)CBDAEFG规律方法实验操作中两个应注意的问题

(1)测弹簧长度时，一定要在弹簧和钩码静止后再测量，这样弹簧弹力与钩码的重力相等。(2)所挂钩码不要过重，以免超出弹簧的弹性限度。

数据处理与分析[典例2]

图甲为某同学用力传感器去探究弹簧的弹力和伸长量的关系的实验情境。用力传感器竖直向下拉上端固定于铁架台的轻质弹簧，读出不同拉力下的标尺刻度x及拉力大小F(从电脑中直接读出)。所得数据记录在下列表格中：

拉力大小F/N0.450.690.931.141.441.69标尺刻度x/cm57.0258.0159.0060.0061.0362.00(1)从图乙读出刻度尺上的刻度值为________cm。(2)根据所测数据，在图丙坐标纸上作出F与x的关系图象。(3)由图象求出该弹簧的劲度系数为________N/m，弹簧的原长为________cm。(均保留三位有效数字)[解析]

(1)由题图乙可知，刻度尺的最小分度值为0.1cm，故读数为63.60cm。(2)根据表中数据利用描点法得出对应的图象如图所示。答案：(1)63.60

(2)图见解析(3)25.0

55.2命题点二实验创新设计

实验器材创新[典例3]

(2021·云南昆明模拟)在探究弹簧的弹力与伸长量之间关系的实验中，所用装置如图甲所示，将轻弹簧的一端固定，另一端与力传感器连接，其伸长量通过刻度尺测得。某同学的实验数据列于下表中：伸长量x/(10－2

m)2.004.006.008.0010.00弹力F/N1.502.934.555.987.50(1)以x为横坐标、F为纵坐标，在图乙的坐标纸上描绘出能正确反映这一弹簧的弹力与伸长量之间关系的图线。(2)由图线求得这一弹簧的劲度系数为________。(保留三位有效数字)[答案]

(1)图见解析(2)75.0N/m创新评价本题的创新点体现在两处，一是弹簧水平放置，消除了弹簧自身重力对实验的影响；二是应用拉力传感器显示拉力的大小，减少了读数误差，使实验数据更准确。

实验设计创新[典例4]

某实验小组探究弹簧的劲度系数k与其长度(圈数)的关系。实验装置如图(a)所示：一均匀长弹簧竖直悬挂，7个指针P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6分别固定在弹簧上距悬点0、10、20、30、40、50、60圈处；通过旁边竖直放置的刻度尺，可以读出指针的位置，P0指向0刻度。设弹簧下端未挂重物时，各指针的位置记为x0；挂有质量为0.100kg的砝码时，各指针的位置记为x。测量结果及部分计算结果如下表所示(n为弹簧的圈数，取重力加速度为9.80m/s2)。已知实验所用弹簧总圈数为60，整个弹簧的自由长度为11.88cm。(b)[答案]

(1)①81.7②0.0122(2)如图所示(3)图(b)中画出的直线可近似认为通过原点。若从实验中所用的弹簧截取圈数为n的一段弹簧，该弹簧的劲度系数k与其圈数n的关系的表达式为k＝________N/m；该弹簧的劲度数k与其自由长度l0(单位为m)的关系的表达式为k＝________N/m。

实验情景创新[典例5]

某物理学习小组用如图甲所示装置来研究橡皮筋的劲度系数(遵循胡克定律且实验中弹力始终未超过弹性限度)，将一张白纸固定在竖直放置的木板上，原长为L0的橡皮筋的上端固定在O点，下端N挂一重物。用与白纸平行的水平力(由拉力传感器显示其大小)作用于N点，静止时记录下N点的位置a。请回答：甲乙(1)若拉力传感器显示的拉力大小为F，用刻度尺测量橡皮筋ON的长为L及N点与O点的水平距离为x，则橡皮筋的劲度系数为__________(用所测物理量表示)。(2)若换用另一个原长相同的橡皮筋，重复上述过程，记录静止时N点的位置b，发现O、a、b三点刚好在同一直线上，其位置如图乙所示，则下列说法正确的是________________。A．第二次拉力传感器显示的拉力示数较大B．两次拉力传感器显示的拉力示数相同C．第二次所用的橡皮筋的劲度系数小D．第二次所用的橡皮筋的劲度系数大(2)由受力图知F＝Gtanθ，两次中G、θ均相同，所以两次拉力传感器显示的拉力示数相同，A错，B对；同理，两次橡皮筋的拉力也相同，而橡皮筋的原长相同，第二次的伸长量大，由胡克定律知第二次所用的橡皮筋的劲度系数小，C对，D错。创新评价本题的创新点体现在新情景设计上，实验中由测橡皮筋劲度系数替代了测弹簧劲度系数，由根据物体平衡问题的处理替代长度和弹力的测量，很好地体现了知识的迁移与拓展。

1．(2021·福建莆田高三9月月考)某同学利用如图甲所示的装置做“探究弹簧弹力大小与其长度的关系”的实验。(1)在安装刻度尺时，必须使刻度尺保持________状态。(2)他通过实验得到如图乙所示的弹力大小F与弹簧长度x的关系图象。由此图象可得该弹簧的原长x0＝______cm，劲度系数k＝________N/m。(3)他又利用本实验原理把该弹簧做成一把弹簧测力计，当弹簧测力计上的示数如图丙所示时，该弹簧的长度x＝________cm。答案：(1)竖直(2)4

50

(3)102.如图(a)，一弹簧上端固定在支架顶端，下端悬挂一托盘；一标尺由游标和主尺构成，主尺竖直固定在弹簧左边；托盘上方固定有一能与游标刻度线准确对齐的装置，简化为图中的指针。现要测量图(a)中弹簧的劲度系数。当托盘内没有砝码时，移动游标，使其零刻度线对准指针，此时标尺读数为1.950cm；当托盘内放有质量为0.100kg的砝码时，移动游标，再次使其零刻度线对准指针，标尺示数如图(b)所示，其读数为________cm。当地的重力加速度大小为9.80m/s2，此弹簧的劲度系数为________N/m(保留三位有效数字)。答案：3.775

53.73．某同学探究弹力与弹簧伸长量的关系。(1)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________(选填“水平”或“竖直”)方向。(2)弹簧自然悬挂，待弹簧________时，长度记为L0；弹簧下端挂上砝码盘时，长度记为Lx；在砝码盘中每次增加10g砝码，弹簧长度依次记为L1至L6。数据如表所示：符号L0LxL1L2L3L4L5L6数值/cm25.3527.3529.3531.3033.435.3537.4039.30表中有一个数值记录不规范，符号为________。由表可知所用刻度尺的最小分度为________。解析：(1)为保证弹簧的形变只由砝码和砝码盘的重力引起，所以弹簧轴线和刻度尺均应在竖直方向。(2)弹簧静止时，才能读取其长度；表中的数据L3与其他数据有效数字位数不同，所以数据L3记录不规范，规范数据应读至厘米位的后两位，精确至mm，所以刻度尺的最小分度为1mm。答案：(1)竖直(2)静止L3

1mm

(3)如图是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________(选填“L0”或“Lx”)的差值。(4)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。(结果均保留两位有效数字，重力加速度取9.8m/s2)答案：

(3)Lx(4)4.9

104.甲、乙两同学在“探究弹力和弹簧伸长的关系”时，安装好实验装置，让刻度尺零刻度线与弹簧上端平齐，在弹簧下端挂1个钩码，静止时弹簧长度为l1，如图甲所示，图乙是此时固定在弹簧挂钩上的指针在刻度尺(最小分度值是1mm)上位置的放大图，在弹簧下端分别挂2个、3个、4个、5个相同钩码，静止时弹簧长度分别是l2、l3、l4、l5。(1)由图乙知刻度尺的读数l1＝______cm，若已知每个钩码质量是50g，挂3个钩码时，弹簧弹力F3＝______N(当地重力加速度g取10m/s2)。

(2)甲同学以弹簧的长度l为横坐标，以钩码的重力G为纵坐标建立了Gl图象，如图丙所示，则由图知弹簧的原长为_______cm，该弹簧的劲度系数为_____N/m。

(3)乙同学先将弹簧平放在桌面上，测出了弹簧的原长l0，并以弹簧的伸长量x＝l－l0为横坐标，以钩码的重力G为纵坐标作出了G-x图象，如图丁所示，则图线不过原点的原因是____________。答案：(1)11.50

1.50

(2)11.0

100

(3)弹簧自身有重力5．某同学利用图甲所示装置来探究弹簧弹力与形变量的关系。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