第3章 第1节 第3课时 实验：探究弹簧弹力与形变量的关系（教师用书Word）-【状元桥·优质课堂】2023-2024学年新教材高中物理必修第一册（人教版 2019）

第3课时　实验：探究弹簧弹力与形变量的关系 [学习目标] 1.探究弹簧弹力与形变量之间的关系(科学探究).2.会利用列表法、图像法、函数法处理实验数据(科学思维).3.能利用F－x、F－l图像求出弹簧的劲度系数(科学思维)． 知识点一　实验思路 1．实验目的 (1)探究弹力与弹簧伸长量之间的关系． (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. 2．实验原理 (1)如图所示，在弹簧下端悬挂钩码时弹簧会伸长，平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码的重力大小相等. (2)弹簧的长度可用刻度尺直接测出，伸长量可以由伸长后的长度减去弹簧原来的长度进行计算．这样就可以研究弹簧的弹力和弹簧伸长量之间的定量关系了． 3．实验器材 铁架台、弹簧、毫米刻度尺、钩码若干、坐标纸． 4．实验步骤 (1)按实验原理图安装实验装置，记下弹簧自由下垂时下端所对应的刻度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. 钩码个数 0 1 2 3 4 5 6 F/N 0 l/cm x/cm 0 知识点二　数据处理 1．数据处理 (1)建立如图所示的直角坐标系，以弹簧的弹力F为纵轴、以弹簧伸长量x为横轴，根据测量数据在坐标纸上描点，作出F－x图像． (2)以弹簧的伸长量为自变量，写出图像所代表的函数．首先尝试一次函数，如果不行则考虑二次函数． (3)得出弹簧弹力和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． 2．注意事项 (1)尽量选轻质弹簧以减小弹簧自身重力带来的影响． (2)实验中弹簧下端挂的钩码不要太多，避免超出弹簧的弹性限度． (3)测量长度时，应区别弹簧原长l0、实际长度l及伸长量x三者之间的不同，明确三者之间的关系．为了减小弹簧自身重力带来的影响，测弹簧原长时应让弹簧在不挂钩码时保持自由下垂状态，而不是平放在水平面上． (4)记录数据时要注意弹力与形变量的对应关系及单位． (5)描点作图时，应使尽量多的点落在画出的线上，可允许少数点均匀分布于线两侧，偏离太大的点应舍去，描出的线不应是折线，而应是平滑的曲线或直线. 考点一　实验原理与操作 【例题1】 (多选)在“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验中，以下说法正确的是(　　) A．在弹簧下端挂钩码时，不能挂太多钩码，以保证弹簧处于弹性限度内 B．用直尺测得弹簧的长度即为弹簧的伸长量 C．弹簧竖直悬挂于铁架台的横梁上，刻度尺应竖直固定在弹簧附近 D．用几个不同的弹簧，分别测出几组拉力与伸长量，得出拉力与伸长量之比均相等 思维导引： 实验原理为胡克定律，探究弹簧弹力与伸长量之间的关系时需要根据测量数据记录，合理选取与处理物理量． 答案　AC 解析　在弹簧下端挂钩码时，不能挂太多钩码，以保证弹簧处于弹性限度内，选项A正确；用直尺测得弹簧的长度减去弹簧原长即为弹簧的伸长量，选项B错误；弹簧竖直悬挂于铁架台的横梁上，刻度尺应竖直固定在弹簧附近，选项C正确；拉力与伸长量之比是劲度系数，由弹簧自身的长度、粗细、材料等因素决定，同一弹簧的劲度系数是不变的，不同的弹簧的劲度系数不一定相同，选项D错误． 【变式1】 在探究一根轻质弹簧的弹力与形变量的关系的实验中，根据测量数据作出了弹力F和弹簧的形变量x的关系图像．下列说法正确的是(　　) A．图线是经过坐标原点的曲线，说明F与x成正比 B．图线是经过坐标原点的直线，说明F与x成正比 C．弹簧的劲度系数与弹力成正比 D．图线的斜率的倒数就是弹簧的劲度系数 答案　B 解析　在弹性限度内，图线是经过坐标原点的直线，说明F与x成正比，选项A错误，B正确；弹簧的劲度系数取决于弹簧本身，选项C错误；由胡克定律F＝kx得，图线的斜率k＝表示弹簧的劲度系数，选项D错误． 考点二　数据处理及误差分析 【例题2】 某同学做“探究弹簧弹力与伸长量的关系”的实验． (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7.73 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，下列选项中做法规范的是______.(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 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 (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_________