2021届高考物理一轮突破实验二 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 【实验过程】 (1)安装实验仪器(见实验原理图)。 (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)，列表作记录，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，尝试作出一条直线，所画的点不一定正好在这条直线上，但要注意使直线两侧的点数大致相同。 (5)以弹簧的伸长量为自变量，写出直线所代表的函数，首先尝试一次函数，如果不行再考虑二次函数。 【数据处理】 1．以弹力F(大小等于所挂钩码的重力)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。 2．以弹簧的伸长量为自变量，写出图线所代表的函数表达式，并解释函数表达式中常数的物理意义。 【误差分析】 1．弹簧所受拉力大小的不稳定易造成误差，使弹簧的一端固定，通过在另一端悬挂钩码来产生对弹簧的拉力，可以提高实验的准确度。 2．弹簧长度的测量是本实验的主要误差来源，测量时尽量精确地测量弹簧的长度。 3．描点、作图不准确也会造成误差。 【注意事项】 1．所挂钩码不要过重，以免弹簧被过分拉伸，超出它的弹性限度。 2．每次所挂钩码的质量差尽量大一些，从而使坐标纸上描的点尽可能稀，这样作出的图线更精确。 3．测量弹簧的原长时要让它自然下垂。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，以减小误差。 4．测量有关长度时，应区别弹簧原长l0、实际总长l及伸长量x三者之间的不同，明确三者之间的关系。 5．建立平面直角坐标系时，两轴上单位长度所代表的量大小要适当，不可过大，也不可过小。 6．描点画线时，所描的点不一定都落在同一条直线上，但应注意一定要使各点均匀分布在直线的两侧。 7．记录数据时要注意弹力与弹簧伸长量的对应关系及单位。 【实验创新】 视角一：不变目的变装置。可以不悬挂重物，变化弹力的测量方法；可以变化刻度尺，变化弹簧长度的测量方法；可以把竖直装置变化为水平装置等。 视角二：不变装置变目的。可以不测量弹簧的劲度系数，测量弹簧的原长，测量劲度系数与哪些因素有关等。 教材原型实验 【典例1】如图甲所示，用铁架台、弹簧和多个质量均为m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F­x图线，由此可求出弹簧的劲度系数为________ N/m。图线不过原点是由于__________。 (4)为完成该实验，设计实验步骤如下： 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，并用直线连接起来，直线穿过尽量多的点，不穿过的点均分在直线两侧； 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：________。 创新型实验 类型一　不变目的变装置(利用直尺和滑轮) 【典例2】(2019·海南高考)某同学利用图(a)的装置测量轻弹簧的劲度系数。图中， 光滑的细杆和直尺水平固定在铁架台上，一轻弹簧穿在细杆上，其左端固定，右端与细绳连接；细绳跨过光滑定滑轮，其下端可以悬挂砝码(实验中，每个砝码的质量均为m＝50.0 g)。弹簧右端连有一竖直指针，其位置可在直尺上读出。实验步骤如下： ①在绳下端挂上一个砝码，调整滑轮，使弹簧与滑轮间的细绳水平且弹簧与细杆没有接触； ②系统静止后，记录砝码的个数及指针的位置； ③逐次增加砝码个数，并重复步骤②(保持弹簧在弹性限度内)； ④用n表示砝码的个数，l表示相应的指针位置，将获得的数据记录在表格内。 回答下列问题： (1)根据如表的实验数据在图(b)中补齐数据点并作出l­n图象。 n 1 2 3 4 5 l/cm 10.48 10.96 11.45 11.95 12.40 (2)弹簧的劲度系数k可用砝码质量m、重力加速度大小g及l­n图线的斜率α表示，