2.5+实验二：探究弹簧弹力与形变量的关系+课件+-2027届高考物理一轮复习

第10课时实验二:探究弹簧弹力与形变量的关系1.实验目的(1)探究弹簧弹力与形变量的关系。(2)学会利用图像法处理实验数据。(3)能根据F-x图像求出弹簧的劲度系数。2.实验原理探究弹簧弹力与形变量的关系,需要测量多组弹簧弹力和

的数据。(1)弹簧弹力F的确定:弹簧下端悬挂钩码,静止时弹簧弹力与所挂钩码的重力mg大小

,即F=

。

(2)弹簧的伸长量x的确定:弹簧的原长l0与挂上钩码后弹簧的长度l可以用刻度尺测出,弹簧的伸长量x=

。

形变量相等mgl-l03.实验器材

轻弹簧、铁架台、钩码、

、铅笔、坐标纸。

刻度尺4.实验步骤(1)安装:按照原理装置图安装实验仪器。(2)操作:弹簧

悬挂,待钩码

时测出弹簧长度。

(3)记录:在弹簧挂钩上依次挂不同数量的钩码,并分别记录下实验所挂钩码的总质量及弹簧长度。(4)作图:作出弹簧弹力大小随伸长量变化的图像。作图时坐标轴标度要适中,单位要标注,连线时要使各数据点均匀分布在图线的两侧,明显偏离图线的点要舍去。竖直静止5.数据处理(1)图像法根据测量数据,在建好直角坐标系的坐标纸上描点。以弹簧的弹力F为纵轴,弹簧的伸长量x为横轴,根据描点的情况,作出一条经过原点的直线。斜率表示弹簧的劲度系数,图像的横截距表示弹簧的原长。(2)列表法将实验数据填入表中,研究测量的数据,可发现在实验误差允许的范围内,弹力与弹簧伸长量的比值不变。(3)函数法根据实验数据,找出弹力与弹簧伸长量的函数关系。命题分析1.考装置:器材装配以及其他器材替代。2.考读算:读弹簧弹力大小和弹簧的长度、算F-x图像的斜率。3.考变化:实验装置、实验原理创新。操作注意1.不要超过弹性限度:实验中弹簧下端挂的钩码不要太多,以免弹簧被过度拉伸,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,而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。误差分析1.钩码标值不准确、弹簧长度测量不准确以及画图时描点连线不准确等都会引起实验误差。2.悬挂钩码数量过多,导致弹簧的形变量超出了其弹性限度,不再符合胡克定律(F=kx),故图像发生弯曲。3.水平放置弹簧测量其原长,由于弹簧有自重,将其悬挂起来后会有一定的伸长量,故图像横轴截距不为零。考点一教材原型实验典例1

(2025徐州开学考)唐同学和李同学一起用实验探究胡克定律,他们把弹簧上端固定在铁架台的横杆上,弹簧的右侧固定一刻度尺,如图甲所示。在弹簧下端悬挂不同质量的钩码,记录弹簧弹力F和相关数据。(1)唐同学根据实验数据,绘制的弹力F与x的关系图像如图乙所示,图中x表示

。

A.弹簧的形变量B.弹簧形变量的变化量C.弹簧处于水平状态下的自然长度D.弹簧处于竖直状态下的自然长度A(2)李同学使用两条不同的轻质弹簧a和b,根据实验数据绘制F与x图像(未画出),发现图像中表示弹簧a的图线斜率小于表示弹簧b的图线斜率,由此可知弹簧a的劲度系数

(选填“大于”“等于”或“小于”)弹簧b的劲度系数。

(3)实验过程中发现某类弹簧自身受到的重力相对其弹力非常小,可视为轻质弹簧,若把该类弹簧在铁架上竖直悬挂时,弹簧呈现的形态大致如下图中的

。

小于C(4)两位同学分别用同一弹簧来做实验,其中唐同学是测出弹簧处于竖直状态且不挂钩码时的弹簧长度作为原长,李同学是测出弹簧自然水平放置时的弹簧长度作为原长。两位同学完成实验后,得到如下F-x图像;其中实线是唐同学的,虚线是李同学的,则下列图像正确的是

。

D解析

(1)根据胡克定律F=kx结合图像可知图中x表示弹簧的形变量,故选A。(2)由(1)中分析可知,F-x图像中斜率表示弹簧的劲度系数,由于图像中弹簧a的斜率小于弹簧b的斜率,由此可知弹簧a的劲度系数小于弹簧b的劲度系数。(3)弹簧自身受到的重力可忽略时,其各部分均匀伸长。故C正确。(4)实验中用横轴表示弹簧的伸长量x,纵轴表示弹簧的拉力F,由胡克定律F=kx,唐同学是测出竖直状态时不挂钩码的弹簧长度作为原长,唐同学的图像过原点;李同学是测出弹簧自然水平放置时的弹簧长度作为原长,由于弹簧自身的重力,弹簧不挂钩码时弹簧的伸长量已经不为零,则图像不过原点,两种情况下弹簧的劲度系数相同,两图像平行。故选D。对点演练1

某实验小组利用如图甲所示的装置测量弹簧的劲度系数,毫米刻度尺的0刻度线与弹簧上端对齐,实验时通过改变弹簧下端悬挂的钩码数量,改变弹簧的弹力F,并利用刻度尺读出对应的弹簧长度l。(1)关于本实验操作,下列说法正确的是

。

A.悬挂钩码后立即读数B.钩码的数量可以任意增减C.安装刻度尺时,必须使刻度尺保持竖直状态甲C(2)多次实验,记录数据后描点连线得到F-l图像如图乙所示,由此可知该弹簧的劲度系数k=

N/m(保留三位有效数字)。

(3)若实验中刻度尺没有完全竖直,而读数时视线保持水平,则由实验数据得到的弹簧劲度系数将

(选填“偏大”“偏小”或“不受影响”)。

乙200偏小考点二拓展创新实验1.高考启示近几年高考实验试题灵活性比较大,不再照搬照抄课本中的经典实验模型,而是在经典实验模型的基础上,改变实验器材、原理,或不改变器材,改变实验目的,来考查考生的迁移和创新能力。2.情境拓展(1)实验原理的创新①弹簧水平放置,消除弹簧自身重力对实验的影响。②改变弹簧的固定方式,研究弹簧弹力大小与压缩量大小的关系。(2)实验器材的创新

将弹簧水平放置,且一端固定在传感器上,传感器与电脑相连,对弹簧施加变化的作用力(拉力或推力)时,电脑上得到弹簧弹力和弹簧形变量的关系图像,分析图像得出结论。(3)实验过程的创新

典例2

在“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验中,某实验小组利用智能手机中自带的定位传感器设计了如图所示的实验,手机软件中的“定位”功能可以测量手机竖直方向的位移。(1)实验小组进行了如下主要的实验步骤,正确的顺序是

。

A.按图安装实验器材,弹簧分别与手机和上螺栓连接,手机重心和弹簧在同一竖直线上B.重复上述操作C.手掌托着手机缓慢下移,当手机与手分离时,打开手机中的位移传感器软件D.根据钩码数量及对应手机下降高度的数值画n-x图像E.在手机下方悬挂等重钩码,缓慢释放,当钩码平衡时记录下手机下降的高度xACEBD(2)根据表格中的数据,在图中描点作出钩码数量与手机位移n-x图像。钩码数目n个123456手机位移x/cm0.491.011.511.992.392.51(3)根据图像可得出弹簧弹力与弹簧伸长量的关系是

。(4)已知每个钩码的质量为5.0g,重力加速度g=10m/s2,由图像可以求得弹簧的劲度系数为

N/m。

(5)实验中未考虑弹簧自身受到的重力,这对弹簧劲度系数的测量结果

(选填“有”或“无”)影响,说明理由

。

在弹性限度内,弹簧的弹力与伸长量成正比9.8~10.2无

解析

(1)“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验步骤为将弹簧竖直悬挂在装置上,在弹簧下端悬挂等重钩码,并记录弹簧伸长的长度,逐一添加钩码,重复实验,最后处理实验数据。本次实验中利用手机软件测量弹簧伸长的长度,故正确的实验步骤为ACEBD。(2)以x为横坐标,n为纵坐标,在坐标纸中描点画线,让多数的点分布在直线上,其余点均匀分布直线两侧,偏差太多的点舍弃,所得图像如图所示。

对点演练2

某兴趣小组按照图示装置测量弹簧的劲度系数,透明圆筒内放有完全相同的钢球,当将圆筒口处的钢球取出时,又会冒出另一个钢球,刚好到达取走钢球的位置。将弹簧固定在圆筒底部,圆筒固定在水平地面上,圆筒的轴线沿竖直方向,实验过程中弹簧始终处于弹性限度内,实验过程如下:(a)沿圆筒轴线方向放置一毫米刻度尺,圆筒内放有6个完全相同的钢球,每个钢球的质量为170g,钢球的直径略小于圆筒的内径;(b)缓慢取走第一个钢球,待弹簧静止,记录筒内剩余的钢球的个数和弹簧上端对应的刻度Ln;(c)数据如表所示

n/个654321Ln/cm14.61

9.987.695.383.07(1)补充完整表格中的读数