第3章 实验：探究弹簧弹力的大小与伸长量的关系-2021-2022学年新教材高中物理必修第一册【名师导航】同步Word教参(鲁科版)

实验：探究弹簧弹力的大小与伸长量的关系 实验目标：1.探究弹簧弹力的大小与伸长量的关系．　2.学会利用列表法、图像法、函数法处理实验数据．　3.通过对弹力的实验探究，学会与他人合作交流解决实验中的问题，认识实验对物理研究的重要性． 一、实验原理和方法 1．用悬挂法测量弹簧的弹力F 弹簧下端悬挂的钩码静止时，弹力大小与所挂的钩码的重力相等，即F＝mg. 2．测出弹簧的伸长量x 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，其伸长量x＝l－l0. 3．探究弹力和弹簧伸长量的关系 建立坐标系，以纵坐标表示弹力大小F，以横坐标表示弹簧的伸长量x，在坐标系中描出实验所测得的各组(x，F)对应的点，用平滑的曲线连接起来，根据实验所得的图线，就可探知弹力和弹簧伸长量的关系． 二、实验器材 铁架台、下端带挂钩的弹簧、钩码、刻度尺、坐标纸． 三、实验步骤 1．如图所示，将弹簧上端固定在铁架台上，在弹簧旁边固定一刻度尺，刻度尺的零刻度线与弹簧的上端重合．读出弹簧的原长l0填入下表． 2．在弹簧下挂一个钩码，测出弹簧的总长度l1.然后再在弹簧下挂一个钩码，测出弹簧的总长度l2……将各次弹簧总长度计入下表相应的表格内． 3．根据每个钩码的质量计算出其重力．弹簧的弹力的大小等于所挂钩码的重力，即F1＝mg、F2＝2mg、F3＝3mg……将各次弹簧弹力大小填入下表相应表格内． 实验次数 1 2 3 4 5 6 7 弹力F/N 弹簧总长度l/cm 弹簧的伸长量x/cm 弹簧原长l0/cm 四、数据处理 1．图像法 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．可以发现F­x图线是一条过原点的直线． 2．函数法 弹力F与弹簧的伸长量x应满足函数F＝kx的关系． 五、误差分析 产生原因 减小方法 偶然误差 测弹簧长度的读数不准 钩码静止，眼睛平视 描点画图不准 点描小些，画图时点尽可能在线上，不在线上的点尽可能分布在线的两侧 系统误差 弹簧自重 选轻质弹簧 六、注意事项 1．所挂钩码不要过重，以免弹簧超出它的弹性限度． 2．每次所挂钩码的质量差尽量大一些，从而使坐标上描的点间距尽量大些，这样作出的图线更精确． 3．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． 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． 5．尽量选用轻质弹簧以便能忽略自身重力的影响． 【例1】　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． 　　　　　　　 　图(a)　　　　图(b) 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1.950 cm；当托盘内放有质量为0.100 kg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9.80 m/s2，此弹簧的劲度系数为________ N/m(保留3位有效数字)． [解析]　实验所用的游标卡尺最小分度为0.05 mm，游标卡尺上游标第15条刻度线与主尺刻度线对齐，根据游标卡尺的读数规则，图(b)所示的游标卡尺读数为3.7 cm＋15×0.05 mm＝3.7 cm＋0.075 cm＝3.775 cm.托盘中放有质量为m＝0.100 kg的砝码时，弹簧受到的拉力F＝mg＝0.100×9.8 N＝0.980 N，弹簧伸长量为x＝3.775 cm－1.950 cm＝1.825 cm，根据胡克定律F＝kx，解得此弹簧的劲度系数k＝＝53.7 N/m. [答案]　3.775　53.7 【例2】　某同学在探究弹力与弹簧伸长量的关系时，设计了如图甲所示的实验装置．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，待静止时，测出弹簧相应的总长度．每只钩码的质量都是10 g．实验数据如下表所示．(弹力始终未超出弹簧的弹性限度，g取10 N/kg) 钩码质量/g 0 10 20 30 40 50 弹簧总长度/cm 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 弹力大小/N 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 甲　　　　　　　　　乙 (1)试根据这些实验数据，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之间的函数关系图像． (2)图