第3章 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【名师导航】同步Word教参(人教版)

实验：探究弹簧弹力与形变量的关系 实验目标：1.进一步练习使用弹簧测力计。2.制定科学探究方案，会使用弹簧测力计获取数据。3.能根据数据探究出弹簧弹力与形变量的定量关系。4.分析导致实验误差的原因。 一、实验原理和方法 1．弹簧弹力F的确定：弹簧下端悬挂钩码，静止的钩码处于平衡状态，弹力大小与所挂钩码的重力大小相等。 2．弹簧的伸长量x的确定：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，弹簧的伸长量x＝l－l0。 3．图像法处理实验数据：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。 二、实验器材 铁架台、毫米刻度尺(米尺)、轻弹簧、钩码(一盒)、三角板、铅笔、坐标纸等。 三、实验步骤 1．按如图所示安装实验装置，记下弹簧下端不挂钩码时弹簧的长度l0。 2．在弹簧下端悬挂一个钩码，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 四、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，如图所示。 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F­x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．所挂钩码不要过重，以免弹簧被过度拉伸，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。 实验原理及实验操作 【例1】　某同学探究弹力与弹簧伸长量的关系。 (1)将弹簧悬挂在铁架台上，将刻度尺固定在弹簧一侧。弹簧轴线和刻度尺都应在 方向(选填“水平”或“竖直”)。 (2)弹簧自然悬挂，待弹簧 时，长度记为L0；弹簧下端挂上砝码盘时，长度记为Lx；在砝码盘中每次增加10 g砝码，弹簧长度依次记为L1至L6。数据如表： 代表 符号 L0 Lx L1 L2 L3 L4 L5 L6 数值 (cm) 25.35 27.35 29.35 31.30 33.4 35.35 37.40 39.30 表中有一个数值记录不规范，代表符号为 ，由表可知所用刻度尺的最小分度为 。 (3)如图是该同学根据表中数据作的图，纵轴是砝码的质量，横轴是弹簧长度与 的差值(选填“L0”或“Lx”)。 (4)由图可知弹簧的劲度系数为 N/m；通过图和表可知砝码盘的质量为 g。(结果保留2位有效数字，g取9.8 m/s2) [解析]　(1)为保证弹簧的形变只由砝码和砝码盘的重力引起，所以弹簧轴线和刻度尺均应在竖直方向。 (2)弹簧静止时，记录原长L0；表中的数据L3与其他数据有效数字位数不同，所以数据L3不规范，标准数据应读至厘米位的后两位，最后一位应为估计值，精确至mm位，所以刻度尺的最小分度为1 mm。 (3)由题图知所挂砝码质量为0时，x为0， 所以x＝L－Lx。 (4)由胡克定律F＝kΔx知，mg＝k(L－Lx)，即mg＝kx，所以图线斜率即为 N/m＝4.9 N/m。＝，则弹簧的劲度系数k＝＝ 同理砝码盘质量 m＝ kg＝0.01 kg＝10 g。＝ [答案]　(1)竖直　(2)静止　L3　1 mm　(3)Lx (4)4.9　10 数据处理及误差分析 【例2】　在探究“弹力和弹簧伸长的关系”时，小明同学用如图(a)所示的实验装置进行实验；将该弹簧竖直悬挂起来，在自由端挂上砝码盘。通过改变盘中砝码的质量，用刻度尺测出弹簧对应的长度，测得实验数据如下： (a)　　　　　　　　　　(b) 实验次数 1 2 3 4 5 6 砝码质量 m/g 0 30 60 90 120 150 弹簧的长度 x/cm 6.00 7.14 8.34 9.48