3.2 第2课时 实验：探究弹力与弹簧伸长的关系（word教参）-【优化探究】2021-2022学年新教材高中物理必修第一册（教科版）

第2课时　实验：探究弹力与弹簧伸长的关系 [实验目的] (1)探究弹力与弹簧伸长之间的关系。 (2)学会利用列表法、图像法、函数法处理实验数据。 (3)验证胡克定律，会求弹簧的劲度系数。 [实验原理] (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，弹力大小与挂在弹簧下面的钩码的重力相等，在弹簧下端悬挂不同的钩码个数，并分别求出重力，从而得到弹簧弹力。 (2)测出弹簧的伸长量x 弹簧的原长与挂上钩码后弹簧的长度可以用刻度尺测出，其伸长量可以用弹簧的长度减去原长来求得。 (3)探究弹力和弹簧伸长的关系 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，用平滑的曲线连起来，根据实验所得的图线，就可探知弹力大小与伸长量间的关系。 (4)求弹簧的劲度系数 弹簧的弹力F与其伸长量x成正比，比例系数k＝，即为弹簧的劲度系数；另外在F－x图像中，直线的斜率也等于弹簧的劲度系数。 [实验器材] 铁架台、下端带挂钩的弹簧、毫米刻度尺、钩码若干、坐标纸。 [实验步骤] (1)按如图安装实验装置，记下弹簧下端不挂钩码时所对应的刻度l0。 (2)在弹簧下悬挂一个钩码，平衡时记下弹簧的总长度并记下钩码的重力。 (3)增加钩码的个数，重复上述实验过程，将数据填入表格，以F表示弹力，l表示弹簧的总长度，x＝l－l0表示弹簧的伸长量。 1 2 3 4 5 6 7 F/N l/cm x/cm [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，这个常数也可据F－x图线的斜率求解，k＝。 [误差分析] 　(1)由于弹簧本身重力的影响，直线近似过坐标原点。 (2)刻度尺读数不准确造成测量误差。 [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尽可能稀疏一些，这样作出的图线较为精确。 (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，刻度尺要保持竖直并靠近弹簧，以免增大误差。 (4)描点画线时，所描的点不一定都落在图线上，但应注意一定要使各点均匀分布在图线的两侧。 (5)记录数据时要注意弹力与弹簧伸长量的对应关系及单位。 题型1　实验原理与操作 [典例1]　某同学做“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验。 　 (1)图甲是不挂钩码时弹簧下端指针所指的标尺刻度，其示数为7.80 cm；图乙是在弹簧下端悬挂钩码后指针所指的标尺刻度，此时弹簧的伸长量Δl为________cm。 (2)本实验通过在弹簧下端悬挂钩码的方法来改变弹簧的弹力，关于此操作，下列选项中规范的做法是________。(填选项前的字母) A．逐一增挂钩码，记下每增加一只钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重量 B．随意增减钩码，记下增减钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重量 (3)图丙是该同学描绘的弹簧的伸长量Δl与弹力F的关系图线，图线的AB段明显偏离直线OA，造成这种现象的主要原因是________________________________ ___________________________________________________________________。 [解析]　(1)由题图乙标尺刻度可知示数l2＝14.70 cm，所以弹簧伸长量为Δl＝l2－l1＝6.90 cm。 (2)为防止弹簧超出弹性限度，应逐渐增加钩码的重量，故选项A正确。 (3)由图丙知AB段伸长量与弹力不成线性关系，主要原因是钩码重力过大，导致弹簧形变超出弹簧的弹性限度。 [答案]　(1)6.90　(2)A　(3)弹簧形变超出弹簧的弹性限度 题型2　数据处理与分析 [典例2]　某同学在探究弹簧弹力与伸长量的关系时，设计了如图(a)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，测出弹簧相应的长度。每只钩码的质量都是20 g。实验数据如下表所示。(始终未超出弹簧的弹性限度，g取10 N/kg) 钩码质量/g 0 20 40 60 80 100 弹簧长度l/cm 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 弹力大小F/N 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 　 (1)试根据表中实验数据，在图(b)所示的坐标纸上作出弹簧弹力大