3.2.2弹力之实验：探究弹簧弹力与形变量的关系 课件-2026-2027学年高一上学期物理教科版必修第一册

该高中物理课件围绕“探究弹簧弹力与形变量的关系”实验展开，通过情境导入示例连接二力平衡原理与图像分析方法，以实验步骤梳理、数据表格设计和误差分析为学习支架，帮助学生构建前后知识脉络。 其亮点在于以科学探究为主线，结合科学思维中的图像处理（如F-x图线描点连线）和实验创新（如力传感器应用），通过步骤排序、误差分析等实例培养学生探究能力，助力学生形成物理观念，教师可借助系统实验案例提升教学效率。

3.2.2　实验：探究弹簧弹力与形变量的关系 学习目标要求 核心素养和关键能力 1.探究弹簧弹力与形变的关系。 2.学会利用图像研究两个物理量之间关系的方法。   1.科学探究 能提出弹力与形变量关系的猜想假设，并设计实验方案，定量探究弹力与形变量之间的关系、验证假设。 2.关键能力 实验探究能力。 一、实验目的：探究弹簧弹力与形变量的关系。 二、实验原理：二力平衡。 三、实验器材 铁架台、弹簧、毫米刻度尺、钩码若干、三角板、坐标纸、重垂线。 四、实验步骤 1.如图所示，将铁架台放在桌面上(固定好)，将弹簧的一端固定于铁架台的横梁上。 2.记下弹簧下端不挂钩码时所对应的刻度l0，即弹簧的原长。 3.在弹簧下端挂上钩码，待钩码静止时测出弹簧的长度l，求出弹簧的伸长量x和所受的外力F(等于所挂钩码的重力)。 4.改变所挂钩码的数量，重复上述实验，将所测数据填写在下列表格中，记录表：弹簧原长l0＝________ cm。 　　次数 内容　　 1 2 3 4 5 6 拉力F/N             弹簧总长/cm             弹簧伸长/cm             5.做出弹力与形变的图像 五、数据处理 1.以力为纵坐标，以弹簧的伸长量为横坐标，根据所测数据在坐标纸上描点。 2.按照图中各点的分布与走向，做出一条平滑的图线。所画的点不一定正好都在这条图线上，但要注意使图线两侧的点数大致相同。 3.以弹簧的伸长为自变量，写出图线所代表的函数表达式，并解释函数表达式中常数的物理意义。 六、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。 [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。 ■情境导入 探究 科学探究之实验操作 (1)为完成实验，还需要的实验器材有：________________________________。 (2)实验中需要测量的物理量有：____________________________________。 (3)图乙是弹簧弹力F与弹簧伸长量x的F－x图线，由此可求出弹簧的劲度系数为________ N/m。图线不过原点的原因是由于__________________________。 (4)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，并用平滑的直线连接起来； 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，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)根据实验原理可知还需要用刻度尺来测量弹簧原长和形变量。(2)根据实验原理，实验中需要测量的物理量有弹簧的原长、弹簧所受外力与对应的伸长量(或与弹簧对应的长度)。(3)取图像中(0.5，0)和(3.5，6)两个点，代入F＝kx可得k＝200 N/m，由于弹簧自重的原因，使得弹簧不加外力时就有形变量。(4)根据完成实验的合理性可知，先后顺序为CBDAEFG。 答案　　(1)刻度尺　(2)弹簧原长、弹簧所受外力与对应的伸长量(或与弹簧对应的长度)　(3)200　由于弹簧自重的原因，使得弹簧不加外力时就有形变量 (4)CBDAEFG [针对训练1] 某同学做“探究弹簧弹力与形变量的关系”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x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力 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力 (3)图丙是该同学描绘的弹簧的伸长量x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＝14.66 cm，所以弹簧伸长量为x＝l2－l1＝6.93 cm。 (2)为防止弹簧超出弹性限度，应逐渐增加钩码的重力，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较大超出弹簧的弹性限度。 答案　(1)6.93　(2)A　(3)超出弹簧的弹性限度 [例2] (1)某次研究弹簧所受弹力F与弹簧长度l关系实验时，得到如图甲所示的 F－l图像，由图像可知：弹簧原长l0＝________ cm，求得弹簧的劲度系数k＝________ N/m。 探究 科学探究之实验设计 (2)按如图乙的方式挂上钩码(已知每个钩码重G＝1 N)，使(1)中研究的弹簧压缩，稳定后指针指示如图乙所示，则指针所指刻度尺示数为________ cm。由此可推测图乙中所挂钩码的个数为________个。 解析　(1)由胡克定律F＝k(l－l0)，结合题图甲中数据得l0＝3.0 cm，k＝200 N/m。 (2)由题图乙知指针所示刻度为1.50 cm，由F＝k(l0－l)，可求得此时弹力为F＝3 N，故所挂钩码的个数为3个。 答案　(1)3.0　200　(2)1.50　3 (1)为完成实验，还必需的实验器材是________； (2)图(b)是弹簧所受弹力F与伸长量x的关系图线，由此可求弹簧的劲度系数k＝________ N/m。 [针对训练2] 如图(a)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实验。 (3)图线不过原点，原因可能是________。 A.测出弹簧水平状态下的自由长度作为原长 B.所选的弹簧劲度系数太大 C.所选的弹簧太长 D.钩码的质量太小 解析　(1)由实验原理可知，本实验中应测量弹簧的长度，故应用到刻度尺。 (3)图线不过原点的原因时实验中没有考虑弹簧的自重，或在弹簧没有处于竖直状态时测量它的原长，A正确。 答案　(1)刻度尺　(2)200　(3)A [例3] 用如图甲所示的实验装置研究弹簧的弹力与形变量之间的关系。轻弹簧上端固定一个力传感器，然后固定在铁架台上，当用手向下拉伸弹簧时，弹簧的弹力可从传感器读出。用刻度尺可以测量弹簧原长和伸长后的长度，从而确定伸长量。测量数据如表所示： 探究 科学探究之实验创新 甲 (1)以x为横坐标，F为纵坐标，在图乙的坐标纸上描绘出能够正确反应弹力与伸长量关系的图线。 伸长量x/(×10－2 m) 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 弹力F/N 1.50 2.93 4.55 5.98 7.50 乙 (2)由图线求得该弹簧的劲度系数为________。(结果保留2位有效数字) 解析　横轴表示伸长量x，纵轴表示弹力F，按照表格数据，描点画图，得到一条直线，图像斜率代表弹簧劲度系数。 答案　(1)如图所示　(2)75 N/m (2)由图像可知，斜率表示弹簧的劲度系数，即为k＝eq \f(ΔF,Δx)＝eq \f(7,0.04－0.005) N/m＝200 N/m。 $