第三章 第1节 第2课时 实验：探究弹簧弹力与形变量的关系-【高考领航】2023-2024学年高中物理必修第一册同步核心辅导与测评（人教版）

第2课时　实验：探究弹簧弹力与形变量的关系 [学习目标要求]　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。 一、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。 二、实验器材 铁架台、弹簧、毫米刻度尺、钩码若干、坐标纸。 三、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。 1 2 3 4 5 6 7 F/N 0 l/cm l0 x/cm 0 四、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。 五、误差分析 1．弹簧原长及伸长量的测量都存在误差。 2．由于弹簧自身重力的影响造成误差，当未放重物时，弹簧在自身重力的作用下，已经有伸长量，这样在作图线时，图线在x轴有截距。 3．描点、作图不准确也会引起误差，所以每次所挂钩码的质量差适当大一些，从而使坐标纸上描的点尽可能分散，这样作出的图线更精确。 六、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。 考查热点一　实验原理与操作 　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位置，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)实验需要测量弹簧的长度、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)为了测量弹簧弹力，实验中应测量所挂钩码的重力。为了测量弹簧的形变量，实验中还应测量弹簧原长、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位置，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)所挂钩码的重力、弹簧原长、弹簧挂不同个数的钩码