第三章1　第2课时　实验三　探究弹簧弹力与形变量的关系-2020-2021学年新教材高中物理必修第一册新课标辅导【精讲精练】人教版（word）

13．在现代汽车技术中，一般轿车都设置有“汽车悬架”，麦弗逊式(McPherson)及烛式悬架都是将螺旋弹簧和减振器有机组合，对缓冲冲击和消减冲击产生的振动全面考虑，大大提高了乘坐者的舒适性。现在有一组合弹簧，一根大弹簧内套了一根小弹簧，大弹簧比小弹簧长0.2 m。为了测量弹簧的劲度系数，把组合弹簧的一端平齐并竖直固定，另一端处于自由状态，如图3-1-23甲所示。当压缩此组合弹簧时，测得力与压缩距离之间的关系图线如图3-1-23乙所示，则大弹簧的劲度系数k1和小弹簧的劲度系数k2分别为多少？ 图3-1-23 解析　由题图可知，当x1＝0.2 m时，F1＝2 N，压缩距离x在0～0.2 m范围内时，有关系式F＝k1x，此时只有大弹簧起作用，小弹簧并没有承受压力，所以大弹簧的劲度系数k1＝10 N/m；从0.2 m至0.3 m过程中，两弹簧均被压缩，当F2＝5 N时，大弹簧的压缩量x2＝0.3 m，小弹簧的压缩量x′2＝x2－x1＝0.3 m－0.2 m＝0.1 m，根据胡克定律得k1x2＋k2x′2＝F2，即k2＝N/m＝20 N/m。 ＝ 答案　10 N/m　20 N/m 第2课时　实验三　探究弹簧弹力与形变量的关系 [学业要求与核心素养] 科学探究 1.经历科学探究的过程，探究弹簧伸长量与弹力之间的关系。 2.学会利用列表法、图像法、函数法处理实验数据。 3.能根据F-x、F-l图像求出弹簧的劲度系数。 一、实验器材 铁架台、毫米刻度尺(米尺)、轻弹簧、槽码(一盒)、三角板、铅笔、坐标纸等。 二、实验原理 1．弹簧的弹力F的测量：弹簧下端悬挂的槽码静止时，弹力大小与所挂槽码的重力大小相等，即F＝mg。 2．弹簧的伸长量x的确定：弹簧的原长l0与挂上槽码后弹簧的长度l可以用刻度尺测出，弹簧的伸长量x＝l－l0。 3．作出弹簧弹力F与弹簧伸长量x的关系图像，根据图像可以分析弹簧弹力和弹簧伸长量的关系。 三、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．在弹簧下端挂质量为m1的槽码，测出此时弹簧的长度l1，记录m1和l1。 3．改变所挂槽码的质量，重复步骤2，记录m2、m3、m4、m5、…和相应的弹簧长度l2、l3、l4、l5、…。 4．计算出每次弹簧的伸长量x(x＝l－l0)和弹簧受到的拉力F(F＝mg)，并将数据填入表格。 1 2 3 4 5 6 7 F/N 0 l/cm x/cm 0 四、数据处理 1．以弹力F(大小等于所挂槽码的重力)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，如图实三-1所示。 图实三-1 2．以弹簧伸长量为自变量，写出弹力和弹簧伸长量之间的函数关系，函数表达式中常数即为弹簧的劲度系数，这个常数也可根据F-x图线的斜率求解，k＝。 3．得出弹力和弹簧伸长量之间的定量关系，解释函数表达式中常数的物理意义。 五、误差分析 1．偶然误差：由于读数和作图不准确产生的误差，为了减小偶然误差要尽量多测几组数据。 2．系统误差：弹簧竖直悬挂时未考虑弹簧重力的影响产生的误差，为减小系统误差，应使用较轻的弹簧。 六、注意事项 1．所挂槽码不要过重，以免弹簧被过分拉伸，超出它的弹性限度。 2．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，刻度尺要保持竖直并靠近弹簧，以免增大误差。 3．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。 4．记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位。 一、实验原理与操作 [例1]　以下是某同学所进行的“探究弹簧伸长量与弹力的关系”的实验步骤： (1)将一个弹簧的上端固定在铁架台上，竖直悬挂起来，在弹簧下挂一个槽码，记下槽码的质量m1，此时弹簧平衡，弹力大小为F1＝m1g，并用刻度尺测量出此时弹簧的长度l1，并记录到表格中。 (2)再增加槽码，重复上述的操作，逐渐增加槽码的重力，得到多组数据。 (3)以力F为纵坐标，以弹簧长度lx为横坐标，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(包括直线)。 (5)根据图线的特点，分析弹簧的弹力F与弹簧长度lx的关系，并得出实验结论。 以上步骤中至少有三个不当之处，请将不合理的地方找出来并进行修正。 [解析]　(1)中还应该测出弹簧的原长l0，此时应在不挂槽码的情况下，让弹簧保持自然下垂状态，用刻度尺测出从悬点到弹簧下端的长度即为l0； (3)中建立坐标系时应该以弹簧的形变量为横坐标，因为探究的是弹力与弹簧伸长量的关系； (5)中应分析