第三章实验：探究弹簧弹力与形变量的关系.docx

实验：探究弹簧弹力与形变量的关系学习目标1.学会探究弹簧弹力与形变量之间的关系.2.会利用列表法、图像法、函数法处理实验数据.3.能根据Fx图像求出弹簧的劲度系数一、实验器材弹簧、刻度尺、钩码、铁架台、铅笔、坐标纸二、实验原理1弹簧弹力F的确定：在弹簧下端悬挂钩码，静止的钩码所受弹力大小与所挂钩码的重力大小相等，即Fmg.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xll0.3图像法处理实验数据：作出弹簧弹力F与形变量x的关系图像，根据图像可以分析弹簧弹力和形变量的关系三、实验步骤1将弹簧的上端固定在铁架台的横杆上，用刻度尺测出弹簧自由下垂时的长度l0，即弹簧的原长2如图1所示，在弹簧下端悬挂质量为m1的钩码，测出此时弹簧的长度l1，记录m1和l1.图13改变所挂钩码的质量，测出对应的弹簧长度，记录m2、m3、m4、m5和相应的弹簧长度l2、l3、l4、l5.4计算出每次弹簧的形变量x(xll0)和弹簧受到的拉力F(Fmg)，并将数据填入表格次数1234567F/N0l/cmx/cm0四、数据处理1建立如图2所示的直角坐标系，以弹簧的弹力F为纵轴、以弹簧形变量x为横轴，根据测量数据在坐标纸上描点，作出Fx图像图22以弹簧的伸长量为自变量，写出图像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得出弹簧弹力和形变量之间的定量关系，解释函数表达式中常数的物理意义五、注意事项1尽量选轻质弹簧以减小弹簧自身重力带来的影响2实验中弹簧下端挂的钩码不要太多，避免超出弹簧的弹性限度3测量长度时，应区别弹簧原长l0、实际长度l及形变量x三者之间的不同，明确三者之间的关系为了减小弹簧自身重力带来的影响，测弹簧原长时应让弹簧在不挂钩码时保持自由下垂状态，而不是平放在水平面上处于自然伸长状态4记录数据时要注意弹力及形变量的对应关系及单位5描点作图时，应使尽量多的点落在画出的线上，可允许少数点均匀分布于线两侧，偏离太大的点应舍去，描出的线不应是折线，而应是平滑的曲线或直线一、实验原理及操作以下是某同学在进行“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验时的实验步骤：(1)将一个弹簧的上端固定在铁架台的横杆上，竖直悬挂起来，在弹簧下端挂一个钩码，记下钩码的质量m1，此时弹簧平衡，弹力大小为F1m1g，用刻度尺测量出此时弹簧的长度l1，并记录到表格中(2)再增加钩码，重复上述操作，逐渐增加钩码的重力，得到多组数据(3)以力F为纵轴，以弹簧长度l为横轴，建立直角坐标系，根据所测的数据在坐标纸上描点(4)按坐标纸上所描各点的分布与走向，作出一条平滑的曲线(或直线)(5)根据图线的特点，分析弹簧的弹力F与弹簧长度l的关系，并得出实验结论以上步骤中有三个不当之处，请将不合理的地方找出来并进行修正答案见解析解析(1)中还应该测出弹簧的原长l0，此时应在不挂钩码的情况下，让弹簧保持自然下垂状态，用刻度尺测出弹簧长度即弹簧的原长为l0；(3)中建立坐标系时应该以弹簧的形变量为横轴，因为探究的是弹簧弹力与形变量的关系；(5)中应分析弹簧弹力与形变量的关系二、实验数据的处理(2019北京人大附中期中)某同学做“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验时，设计了如图3甲所示的实验装置，将待测弹簧的一端固定在铁架台上，然后将毫米刻度尺固定在弹簧一侧，并使弹簧另一端的指针恰好落在刻度尺上他先测出不挂钩码时弹簧的自然长度，然后在弹簧下端依次挂1、2、3、4、5个钩码，测出弹簧相应的总长度每只钩码的质量都是10 g实验数据见下表(g取10 N/kg)图3钩码质量m/g01020304050弹簧总长度l/cm3.003.504.004.505.005.50弹力大小F/N00.10.20.30.40.5(1)关于本实验，下列说法正确的是_A悬挂钩码时，应在钩码静止后再读数B应在弹簧的弹性限度范围内进行测量C在安装刻度尺时，必须使刻度尺保持竖直状态D在测量弹簧原长时，应将弹簧平放在水平桌面上，使其自然伸长，并测出其长度(2)根据上述实验数据，在图乙所示的坐标纸上，作出弹簧弹力大小F跟弹簧总长度l之间的关系图像，并求出该弹簧的劲度系数k_ N/m.(3)一个实验小组在“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验中，使用两条不同的轻质弹簧a和b，得到弹簧弹力与弹簧长度的图像如图丙所示下列表述正确的是_Aa的原长比b的短Ba的劲度系数比b的小Ca的劲度系数比b的大D测得的弹力与弹簧的长度成正比答案(1)ABC(2)见解析图20(3)AC解析(2)根据表中数据描点连线，就能得到Fl图像，如图所示，图线的斜率大小表示弹簧的劲度系数，解得k20 N/m.(3)在Fl图像中，当弹簧的弹力为零时，弹簧处于原长，故b的原长大于a的原长，故A正确；斜率表示劲度系数，故a的劲度系数大于b的劲度系数，故B错误，C正确；弹簧的弹力与弹簧的形变量成正比，故D错误三、创新实验在“探究弹簧弹力与形变量的关系，并测定弹簧的劲度系数”的实验中，实验装置如图4所示所用的每个钩码的重力相当于对弹簧提供了向右的恒定拉力实验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图4(1)有一个同学把通过以上实验测量得到的6组数据描点在图5坐标系中，请作出FL图线图5(2)由此图线可得出该弹簧的原长L0_ cm，劲度系数k_ 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：_.答案见解析解析(1)FL图线如图所示：(2)弹簧的原长L0即弹簧弹力为零时弹簧的长度，由题图可知，L05102 m5 cm.劲度系数为图像直线部分的斜率，k20 N/m.(3)优点：可以避免弹簧自身重力对实验的影响缺点：弹簧与桌面及绳子与滑轮间存在的摩擦会造成实验误差1(多选)(2019衡阳一中高一上月考)在“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验中，关于“测量原长”与“竖直悬挂”的先后顺序，下列说法正确的是()A先测量原长，后竖直悬挂B先竖直悬挂，后测量原长C先后顺序对实验结果无影响D先后顺序对实验结果的影响程度取决于弹簧的自重答案BD解析在“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验中，因为弹簧的自重的影响，水平放置和竖直悬挂时，弹簧的长度不同，所以应先竖直悬挂，后测量原长，这样施力时测出弹簧伸长后的长度减去原长能准确反映弹簧伸长量，故A错误，B正确；先后顺序对实验结果的影响程度取决于弹簧的自重，故C错误，D正确2在“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验中，弹簧弹力的大小为F，弹簧的形变量(伸长量或压缩量)为x，下列说法正确的是()A实验中劲度系数k的具体数值只能用逐个计算的方法求出来，而没有其他的方法B如果没有测出弹簧原长，用弹簧长度L代替x，FL图线也是过原点的一条直线C利用Fx图线可求出弹簧的劲度系数kD实验时要把所有点连到线上，才能探索得到真实规律答案C解析通过该实验求劲度系数k时，可以采用图像法，也可以用逐个计算的方法，故A错误；用弹簧长度L代替x，FL图线不过原点，故B错误；在Fx图像中图线的斜率大小表示劲度系数，故利用Fx图线可以求出弹簧的劲度系数k的值，故C正确；实验时并非把所有点都连到线上，而是让线穿过尽量多的点，不能穿过的点尽量均匀分布在线的两侧，偏离太大的点应舍去，这样可以排除误差比较大的点，故D错误3(2019启东市期末)“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验(1)以下是小明同学准备完成的实验步骤，请你帮他按操作的先后顺序，用字母排列出来_A以弹力为横轴、形变量为纵轴建立直角坐标系，用描点法作出实验图像B记下弹簧不挂钩码时，其下端在刻度尺上的刻度L0C将铁架台固定于水平桌面上，并将弹簧的上端系于横杆上，在弹簧附近竖直固定刻度尺D依次在弹簧下端挂上1个、2个、3个、4个钩码，当钩码静止时，记下弹簧下端所对应的刻度并记录在表格内E以弹簧形变量为自变量，写出弹簧弹力与形变量的关系式F解释函数表达式中常数的物理意义(2)小华同学选了甲、乙两根规格不同的弹簧进行实验，根据测得的数据绘出如图6所示的图像，根据图像，可计算得到两个弹簧的劲度系数分别为k甲_ N/m，k乙_ N/m.(结果保留3位有效数字)图6(3)从图像上看，图像上端为曲线，说明该同学没能完全按实验要求做，图像上端成为曲线是因为_，若要制作一个精确度较高的弹簧测力计，应选弹簧_(选填“甲”或“乙”)答案(1)CBDAEF(2)66.7200(3)弹力过大，超过弹簧弹性限度甲解析(1)在“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验中，应先组装器材，然后进行实验，最后处理数据，得出结论实验操作的先后顺序为CBDAEF.(2)根据胡克定律得两个弹簧的劲度系数分别为k甲66.7 N/m，k乙200 N/m.(3)题图图像上端向上弯曲的原因是弹力过大，超过弹簧的弹性限度从图像上可以看出甲的斜率大于乙的斜率，因为题图图像中纵轴为形变量，横轴为弹力，斜率的倒数表示劲度系数，所以甲弹簧的劲度系数较小，因此用其制成的弹簧测力计精确度高4在“探究弹簧弹力与形变量的关系”时，某同学把两根弹簧按如图7甲连接起来进行探究图7(1)某次测量如图乙所示，指针示数为_ cm.(2)在弹性限度内，将质量均为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如下表用表中数据计算弹簧的劲度系数为_ N/m(重力加速度g10 m/s2)由表中数据_(填“能”或“不能”)计算出弹簧的劲度系数钩码数1234LA/cm15.7119.7123.6627.76LB/cm29.9635.7641.5147.36答案(1)16.00(有效数字位数正确)(2)12.5(12.212.8)能解析(1)刻度尺读数时需要估读到精确位的下一位，由题图可知指针示数为16.00 cm.(2)由胡克定律Fkx，结合题表中数据可知弹簧的劲度系数k1 N/m12.5 N/m，若要计算弹簧的劲度系数，只需再求出弹簧的形变量，结合两个指针的读数，可知指针B的变化量减去指针A的变化量就是弹簧的形变量，所以能求出弹簧的劲度系数