第三章 实验 探究弹簧弹力与形变量的关系-【导与练】2023-2024学年高中物理必修第一册同步全程学习全书word（新教材，粤教版）

实验　探究弹簧弹力与形变量的关系 一、实验原理 弹簧受到拉力作用会伸长,平衡时弹簧产生的弹力和外力大小相等;在弹性限度内,弹簧的伸长量越大,弹力也就越大. 二、实验器材 铁架台、弹簧、钩码、刻度尺、坐标纸. 三、实验步骤 1.安装实验仪器. 2.测量弹簧的伸长量(或总长)及所受的拉力(或所挂钩码的质量),列表记录,要尽可能多测几组数据. 3.根据所测数据在坐标纸上描点,以力为纵坐标,以弹簧的伸长量为横坐标. 4.按照在坐标纸中所绘点的分布与走向,尝试作出一条平滑的曲线(包括直线),所画的点不一定正好在这条曲线上,但要注意使曲线两侧的点数大致相同. 5.以弹簧的伸长量为自变量,写出曲线所代表的函数,首先尝试一次函数,如果不行再考虑二次函数. 一、实验数据处理方法 1.列表法 将测得的F、x填入设计好的表格中,可以发现弹力F与弹簧伸长量x的比值在误差允许范围内是相等的. 实验 次数 钩码的重力G/N 弹簧的长度L/cm 弹簧的伸长量x/cm 弹力的大小F/N 2.图像法 以弹簧伸长量x为横坐标,弹力F为纵坐标,描出F、x各组数据相应的点,作出的拟合曲线应是一条过坐标原点的直线. 3.函数法 弹力F与弹簧伸长量x满足F=kx的关系. 二、注意事项 1.不要超过弹性限度:实验中弹簧下端挂的钩码不要太多,以免弹簧被过分拉伸,超过弹簧的弹性限度. 2.尽量多测几组数据:要使用轻质弹簧,且要尽量多测几组数据. 3.观察所描点的走向: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曲线是试探性的,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. 4.统一单位:记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位. 三、误差分析 1.钩码标值不准确、弹簧长度测量不准确带来误差. 2.画图时描点及连线不准确也会带来误差. 类型一　实验原理与探究过程 [例1] 如图甲所示,用铁架台、弹簧和多个已知质量且质量相等的钩码,探究在弹性限度内弹簧弹力与弹簧伸长量的关系. (1)为完成实验,还需要的实验器材有:　　　　.  (2)实验中需要直接测量的物理量有: 　 .  (3)某次测量刻度尺示数如图乙所示,读数为　　　　 cm.  (4)如图丙所示是弹簧弹力F与弹簧伸长量x的F-x图像,由此可求出弹簧的劲度系数为　　　　 N/m,图像不过原点的原因是　  　.  (5)分析图像,总结弹簧弹力F跟弹簧伸长量x之间的关系式为　　　　　　　.  (6)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; C.将铁架台固定于桌子上,并将弹簧的一端系于横梁上,然后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. 请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来:　　　　　　　　.  解析:(1)实验需要测量弹簧的长度,故还需要的实验器材有刻度尺. (2)为了测量弹簧的形变量,实验中还应测量弹簧原长和挂不同个数钩码时弹簧的长度. (3)刻度尺分度值是1 mm,读数为7.15 cm. (4)F-x图像中的斜率表示弹簧的劲度系数,则 k= N/m= 200 N/m,图线不过原点说明没有挂钩码时弹簧就有形变量,原因是弹簧自身存在重力. (5)总结弹簧弹力F跟弹簧伸长量x之间的关系式为F=kx=200x. (6)实验中要先组装器材,然后进行实验,最后数据处理,分析解释表达式,最后整理仪器;所以先后顺序为CBDAEFG. 答案:(1)刻度尺 (2)弹簧原长和挂不同个数钩码时弹簧的长度 (3)7.15(7.14～7.16均可) (4)200　弹簧自身存在重力 (5)F=200x (6)CBDAEFG 类型二　数据处理与误差分析 [例2] 某同学用图甲所示的方案探究在弹性限度内弹簧弹力与弹簧伸长量的关系. (1)作出弹簧弹力F与弹簧伸长量x的F-x图线后,发现图线不过原点.你认为造成这种结果的原因是 　　　　　　　　　　　　　　.  (2)该同学找到原因后,进行了改进,采用图乙所示的方案,选择较光滑的水平桌面,滑轮涂上润滑油.实验数据记录如表所