第三章 1.2 实验：探究弹簧弹力与形变量的关系-2021-2022学年新教材高中物理必修第一册【金版新学案】配套教师用书（人教版）

第2课时　实验：探究弹簧弹力与形变量的关系 1．实验目的 (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F ­x图像求出弹簧的劲度系数。 2．实验思路 需要测量多组弹簧弹力和形变量的数据。弹力的测量：钩码标值。形变的测量：刻度尺。 3．进行实验 (1)测原长：如图，把弹簧上端固定在铁架台的横杆上，观察弹簧自由下垂所达到的刻度尺位置。用刻度尺测出弹簧自然伸长状态时的长度l0，即原长。 (2)测量弹簧总长度和弹力：在弹簧下端挂上质量为m1的钩码，测出静止时弹簧的长度l1，记录m1和l1。 (3)重复实验： 改变所挂钩码的个数，测出对应的弹簧长度，记录钩码个数和相应的弹簧长度l2、l3、l4、l5…，得出每次弹簧的伸长量x1、x2、x3、x4、x5…(xn＝ln－ln－1)，并将所得数据填入表格。 钩码个数 长度 伸长量x 弹力F 0 l0＝ 1 l1＝ x1＝ F1＝ 2 l2＝ x2＝ F2＝ 3 l3＝ x3＝ F3＝ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ 4.数据处理 (1)作图：以弹簧受到的弹力F为纵轴，弹簧伸长的长度x为横轴，根据表中的数据在坐标上描点，按照各点的分布和走向，尝试作一条平滑的曲线(包括直线)，弹力F随弹簧伸长量x变化的图线如图。根据图线可知，弹簧发生弹性形变时，弹力F的大小跟弹簧的伸长量x成正比。 (2)计算弹簧的劲度系数：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，则有F＝kx，其中常数k为弹簧的劲度系数，大小等于F ­x图像的斜率。即k＝。 ⊲注意事项 (1)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)要尽量多测几组数据。 (3)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图线是试探性的，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的。 (4)如果实验中不用弹簧的伸长量而用弹簧的总长为横坐标，得到的不是正比例函数。 (5)在弹簧悬挂后的自然下垂状态下测原长，而不是在水平状态下测量原长，因为弹簧本身重力会使弹簧伸长。 ⊲误差分析 产生原因 减少方法 读数、作图误差 (1)多组测量 (2)所挂钩码的质量差适当大些 弹簧自重 选择轻质弹簧 探究点一　教材原型实验 角度1　实验操作过程 如图所示，用铁架台、弹簧和多个未知质量但质量相等的钩码探究在弹性限度内弹簧弹力与形变量的关系。 (1)为完成实验，除了图中提供的实验器材，你还需要的实验器材有：________、________。 (2)实验中你需要测量的物理量有：________、________________________。 (3)为完成该实验，设计的实验步骤如下： 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，并用平滑的曲线连接起来； B．记下弹簧不挂钩码时其下端在刻度尺上的刻度l0，测量出一个钩码的重力； 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，写出弹力与弹簧伸长量的关系式；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。 请你将以上步骤按操作的先后顺序排列出来：________________。 (4)若实验开始时你将图中的指针从P位置往下挪到Q，其余实验步骤不变且操作正确，则测量得到弹簧的劲度系数将________(选填“变大”“不变”或“变小”)。 解析：　 (1)实验需要测弹簧的长度、形变量，因为钩码的质量未知，所以要测量钩码的重力，故还需要的实验器材有：刻度尺，弹簧测力计。 (2)为了测量弹簧的形变量，由胡克定律可知，实验中还应测量弹簧的原长、弹簧挂不同个数的钩码时所对应的弹簧长度。 (3)实验中要先组装器材，即C、B，然后进行实验，即D，最后数据处理，分析解释表达式，最后整理仪器，即A、E、F、G。所以先后顺序为CBDAEFG。 (4)指针从P位置往下挪到Q，只是在测量弹簧的原长时，原长偏大，挂上钩码后，弹簧的伸长量依然没有改变，故没有影响，所以测量得到弹簧的劲度系数不变。 答案：　(1)刻度尺　弹簧测力计　(2)弹簧原长　弹簧挂不同个数的钩码时所对应的弹簧长度　(3)CBDAEFG　(4)不变 角度2　数据处理及分析 某实验小组利用图甲所示的装置探究“弹力和弹簧形变量的关系”。 (1)在测量弹簧的原长l0时，考虑到弹簧具有重量，应将弹簧________(选填“水平放置”或“竖直悬挂”