2019-2020學(xué)年高中物理 第三章 相互作用 實(shí)驗(yàn)：探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系學(xué)案 新人教版必修1

《2019-2020學(xué)年高中物理 第三章 相互作用 實(shí)驗(yàn)：探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系學(xué)案 新人教版必修1》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2019-2020學(xué)年高中物理 第三章 相互作用 實(shí)驗(yàn)：探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系學(xué)案 新人教版必修1（9頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、實(shí)驗(yàn)：探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系 [學(xué)科素養(yǎng)與目標(biāo)要求]　 科學(xué)探究：1.探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系.2.學(xué)會(huì)利用列表法、圖象法、函數(shù)法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).3.能根據(jù)F－x、F－l圖象求出彈簧的勁度系數(shù)． 一、實(shí)驗(yàn)器材 彈簧、刻度尺、鉤碼、鐵架臺(tái)、坐標(biāo)紙． 二、實(shí)驗(yàn)原理 1．彈簧彈力F的確定：彈簧下端懸掛鉤碼，靜止的鉤碼處于平衡狀態(tài)，彈力大小與所掛鉤碼的重力大小相等，即F＝mg. 2．彈簧的伸長(zhǎng)量x的確定：彈簧的原長(zhǎng)l0與掛上鉤碼后彈簧的長(zhǎng)度l都可以用刻度尺測(cè)出，彈簧的伸長(zhǎng)量x＝l－l0. 3．圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：作出彈簧彈力F與彈簧伸長(zhǎng)量x的關(guān)系圖象，根據(jù)圖象可以分析彈簧彈

2、力和彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系． 三、實(shí)驗(yàn)步驟 1．將彈簧的一端掛在鐵架臺(tái)上，讓其自然下垂，用刻度尺測(cè)出彈簧自然伸長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)的長(zhǎng)度l0，即原長(zhǎng)． 2．如圖1所示，在彈簧下端掛質(zhì)量為m1的鉤碼，測(cè)出此時(shí)彈簧的長(zhǎng)度l1，記錄m1和l1. 圖1 3．改變所掛鉤碼的質(zhì)量，測(cè)出對(duì)應(yīng)的彈簧長(zhǎng)度，記錄m2、m3、m4、m5…和相應(yīng)的彈簧長(zhǎng)度l2、l3、l4、l5…. 4．計(jì)算出每次彈簧的伸長(zhǎng)量x(x＝l－l0)和彈簧受到的拉力F(F＝mg)，并將數(shù)據(jù)填入表格. 次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 F/N 0 l/cm x/cm

3、0 四、數(shù)據(jù)處理 1．建立直角坐標(biāo)系，以F為縱軸，x為橫軸，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)作出F隨彈簧伸長(zhǎng)量x變化的圖線，如圖2所示． 圖2 2．以彈簧的伸長(zhǎng)量為自變量，寫(xiě)出圖線所代表的函數(shù)．首先嘗試一次函數(shù)，如果不行則考慮二次函數(shù)． 3．得出彈力和彈簧伸長(zhǎng)量之間的定量關(guān)系，解釋函數(shù)表達(dá)式中常數(shù)的物理意義． 五、注意事項(xiàng) 1．實(shí)驗(yàn)中彈簧下端掛的鉤碼不要太多，避免超出彈簧的彈性限度． 2．測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)區(qū)別彈簧原長(zhǎng)l0、實(shí)際長(zhǎng)度l及伸長(zhǎng)量x三者之間的不同，明確三者之間的關(guān)系．為了減小彈簧自身重力帶來(lái)的影響，測(cè)彈簧原長(zhǎng)時(shí)應(yīng)讓彈簧在不掛鉤碼時(shí)保持自然下垂?fàn)?/p>

4、態(tài)，而不是平放在水平面上處于自然伸長(zhǎng)狀態(tài)． 3．記錄數(shù)據(jù)時(shí)要注意彈力及伸長(zhǎng)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系及單位． 4．描點(diǎn)作圖時(shí)，應(yīng)使盡量多的點(diǎn)落在畫(huà)出的線上，可允許少數(shù)點(diǎn)分布于線兩側(cè)，描出的線不應(yīng)是折線，而應(yīng)是平滑的曲線或直線． 5．盡量選輕質(zhì)彈簧以減小彈簧自身重力帶來(lái)的影響． 一、實(shí)驗(yàn)原理及操作 例1　以下是某同學(xué)所進(jìn)行的“探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)步驟： (1)將一個(gè)彈簧的上端固定在鐵架臺(tái)上，豎直懸掛起來(lái)，在彈簧下端掛一個(gè)鉤碼，記下鉤碼的質(zhì)量m1，此時(shí)彈簧平衡，彈力大小為F1＝m1g，用刻度尺測(cè)量出此時(shí)彈簧的長(zhǎng)度l1，并記錄到表格中． (2)再增加鉤碼，重復(fù)上述的操作，逐漸增加鉤

5、碼的重力，得到多組數(shù)據(jù)． (3)以力F為縱坐標(biāo)，以彈簧長(zhǎng)度lx為橫坐標(biāo)，根據(jù)所測(cè)的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)． (4)按坐標(biāo)紙上所描各點(diǎn)的分布與走向，作出一條平滑的曲線(或直線)． (5)根據(jù)圖線的特點(diǎn)，分析彈簧的彈力F與彈簧長(zhǎng)度lx的關(guān)系，并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論． 以上步驟中有三個(gè)不當(dāng)之處，請(qǐng)將不合理的地方找出來(lái)并進(jìn)行修正． 答案　見(jiàn)解析 解析　(1)中還應(yīng)該測(cè)出彈簧的原長(zhǎng)l0，此時(shí)應(yīng)在不掛鉤碼的情況下，讓彈簧保持自然下垂?fàn)顟B(tài)，用刻度尺測(cè)量出從懸點(diǎn)到彈簧下端的長(zhǎng)度即為l0； (3)中建立坐標(biāo)系時(shí)應(yīng)該以彈簧的形變量為橫坐標(biāo)，因?yàn)樘骄康氖菑椓εc彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系； (5)中應(yīng)分析彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的

6、關(guān)系． 二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及誤差分析 例2　(2019·北京人大附中期中)某同學(xué)做“探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了如圖3甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置，將待測(cè)彈簧的一端固定在鐵架臺(tái)上，然后將毫米刻度尺設(shè)置在彈簧一側(cè)，并使彈簧另一端的指針恰好落在刻度尺上．他先測(cè)出不掛鉤碼時(shí)彈簧的自然長(zhǎng)度，然后在彈簧下端依次掛1、2、3、4、5個(gè)鉤碼，測(cè)出彈簧相應(yīng)的總長(zhǎng)度．每只鉤碼的質(zhì)量都是10g．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表．(g取10N/kg) 鉤碼質(zhì)量m/g 0 10 20 30 40 50 彈簧總長(zhǎng)度l/cm 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 彈力大小F/N

7、 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 圖3 (1)關(guān)于本實(shí)驗(yàn)，下列說(shuō)法正確的是________． A．懸吊鉤碼時(shí)，應(yīng)在鉤碼靜止后再讀數(shù) B．應(yīng)在彈簧的彈性限度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量 C．在安裝刻度尺時(shí)，必須使刻度尺保持豎直狀態(tài) D．在測(cè)量彈簧原長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)將彈簧平放在水平桌面上，使其自然伸長(zhǎng)，并測(cè)出其長(zhǎng)度 (2)根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在圖乙所示的坐標(biāo)紙上，作出彈簧彈力大小F跟彈簧總長(zhǎng)度l之間的關(guān)系圖象，并求出該彈簧的勁度系數(shù)k＝________N/m. (3)一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組在“探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，使用兩條不同的輕質(zhì)彈簧a和b，得到彈力和彈簧長(zhǎng)度的

8、圖象如圖丙所示．下列表述正確的是________． A．a(chǎn)的原長(zhǎng)比b的短 B．a(chǎn)的勁度系數(shù)比b的小 C．a(chǎn)的勁度系數(shù)比b的大 D．測(cè)得的彈力與彈簧的長(zhǎng)度成正比 答案　(1)ABC　(2)見(jiàn)解析圖　20　(3)AC 解析　(2)根據(jù)數(shù)據(jù)描點(diǎn)連線，就能得到F－l圖象，如圖所示，圖線的斜率大小等于彈簧的勁度系數(shù)，解得k＝20N/m. (3)在F－l圖象中，當(dāng)彈簧的彈力為零時(shí)，彈簧處于原長(zhǎng)，故b的原長(zhǎng)大于a的原長(zhǎng)，故A正確；斜率代表勁度系數(shù)，故a的勁度系數(shù)大于b的勁度系數(shù)，故B錯(cuò)誤，C正確；彈簧的彈力與彈簧的形變量成正比，故D錯(cuò)誤． 三、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn) 例3　在“探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的

9、關(guān)系，并測(cè)定彈簧的勁度系數(shù)”的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示．所用的每個(gè)鉤碼的重力相當(dāng)于對(duì)彈簧提供了向右恒定的拉力．實(shí)驗(yàn)時(shí)先測(cè)出不掛鉤碼時(shí)彈簧的自然長(zhǎng)度，再將5個(gè)鉤碼逐次增加，掛在繩子的下端，每次測(cè)出相應(yīng)的彈簧總長(zhǎng)度． 圖4 (1)有一個(gè)同學(xué)通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)測(cè)量后把6組數(shù)據(jù)描點(diǎn)在圖5坐標(biāo)系中，請(qǐng)作出F—L圖線． 圖5 (2)由此圖線可得出該彈簧的原長(zhǎng)L0＝________cm，勁度系數(shù)k＝________N/m. (3)試根據(jù)該同學(xué)以上的實(shí)驗(yàn)情況，幫助他設(shè)計(jì)一個(gè)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表格(不必填寫(xiě)其實(shí)驗(yàn)測(cè)得的具體數(shù)據(jù))． (4)該同學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，把彈簧水平放置與彈簧懸掛放置相比較，優(yōu)點(diǎn)在于

10、：_________，缺點(diǎn)在于：_________. 答案　見(jiàn)解析 解析　(1)F—L圖線如圖所示： (2)彈簧的原長(zhǎng)L0即彈力為零時(shí)彈簧的長(zhǎng)度，由圖象可知，L0＝5×10－2m＝5cm. 勁度系數(shù)為圖象直線部分的斜率，k＝20N/m. (3)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表格如下表 次數(shù) 1 2 3 4 5 6 彈力F/N 彈簧的長(zhǎng)度 L/(×10－2m) (4)優(yōu)點(diǎn)是：可以避免彈簧自身重力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響． 缺點(diǎn)是：彈簧與桌面及繩子與滑輪間存在的摩擦?xí)斐蓪?shí)驗(yàn)誤差． 1．在“探究彈力與彈

11、簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，彈簧彈力的大小為F，彈簧的形變量(伸長(zhǎng)量或壓縮量)為x，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．實(shí)驗(yàn)中勁度系數(shù)k的具體數(shù)值只能用逐個(gè)計(jì)算的方法求出來(lái)，而沒(méi)有其他的方法 B．如果沒(méi)有測(cè)出彈簧原長(zhǎng)，用彈簧長(zhǎng)度L代替x，F(xiàn)－L圖線也是過(guò)原點(diǎn)的一條直線 C．利用F－x圖線可求出勁度系數(shù)k D．實(shí)驗(yàn)時(shí)要把所有點(diǎn)連到線上，才能探索得到真實(shí)規(guī)律 答案　C 解析　該實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以采用圖象法，并非只能用逐個(gè)計(jì)算的方法來(lái)求勁度系數(shù)k，故A錯(cuò)誤；用彈簧長(zhǎng)度L代替x，F(xiàn)－L圖線不過(guò)原點(diǎn)，故B錯(cuò)誤；在F－x圖象中圖線的斜率表示勁度系數(shù)，故利用F－x圖線可以求出k值，故C正確；實(shí)驗(yàn)時(shí)并

12、非把所有點(diǎn)連到線上，而是讓線穿過(guò)盡量多的點(diǎn)，不能穿過(guò)的點(diǎn)盡量分布在線的兩側(cè)，這樣可以剔除誤差比較大的點(diǎn)，故D錯(cuò)誤． 2.如圖6所示是“探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)裝置，小東認(rèn)真操作、正確讀數(shù)后得到的數(shù)據(jù)記錄如下表．由表可知(重力加速度g＝9.8m/s2)(　　) 圖6 　次數(shù) 物理量　　 1 2 3 4 F/N 0 0.98 1.96 2.94 L/cm 12.0 14.0 16.0 18.0 x/cm 0 2.0 4.0 6.0 A．每個(gè)鉤碼的質(zhì)量為0.98kg B．實(shí)驗(yàn)所用刻度尺的分度值是1mm C．每掛一個(gè)鉤碼，彈簧伸長(zhǎng)12

13、.0cm D．實(shí)驗(yàn)時(shí)彈簧伸長(zhǎng)量未超過(guò)彈性限度 答案　D 解析　每個(gè)鉤碼的質(zhì)量m＝kg＝0.1kg，A錯(cuò)．由于彈簧的長(zhǎng)度記錄到整數(shù)厘米的下一位，故所用刻度尺為厘米刻度尺，分度值為1cm，B錯(cuò)．由題表可以看出，每掛一個(gè)鉤碼，彈簧都要伸長(zhǎng)2cm，C錯(cuò)．由所給實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，彈簧彈力與其伸長(zhǎng)量成正比，符合胡克定律，故彈簧伸長(zhǎng)量未超過(guò)它的彈性限度，D對(duì)． 3．(2019·上杭一中期中)某同學(xué)在“探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系”時(shí)，設(shè)計(jì)了如圖7(a)所示的實(shí)驗(yàn)裝置．他先測(cè)出不掛鉤碼時(shí)彈簧的自然長(zhǎng)度，然后在彈簧下端依次掛1、2、3、4、5個(gè)鉤碼，待靜止時(shí)，測(cè)出彈簧相應(yīng)的總長(zhǎng)度．每只鉤碼的質(zhì)量都是10g

14、．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示．(彈力始終未超出彈簧的彈性限度，g取10N/kg) 鉤碼質(zhì)量/g 0 10 20 30 40 50 彈簧總長(zhǎng)度/cm 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 彈力大小/N 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 圖7 (1)試根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在圖(b)所示的坐標(biāo)紙上作出彈簧彈力大小F跟彈簧總長(zhǎng)度l之間的關(guān)系圖象． (2)圖象在l軸上的截距的物理意義是_______．該彈簧的勁度系數(shù)k＝________N/m. 答案　(1)如圖所示 (2)表示彈簧原長(zhǎng)　20 解析　(1)根據(jù)

15、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描點(diǎn)連線，所得圖象如圖所示． (2)圖象在l軸上的截距表示彈簧原長(zhǎng)．由圖象可知，彈簧的勁度系數(shù)應(yīng)等于直線的斜率，即k＝＝20N/m. 4．某實(shí)驗(yàn)小組做“探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)，先把彈簧平放在桌面上，用直尺測(cè)出彈簧的原長(zhǎng)L0＝4.6cm，再把彈簧豎直懸掛起來(lái)，在下端掛鉤碼，每增加一只鉤碼記下對(duì)應(yīng)的彈簧長(zhǎng)度L，數(shù)據(jù)記錄如下表所示： 鉤碼個(gè)數(shù) 1 2 3 4 5 彈力F/N 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 彈簧的長(zhǎng)度 L/cm 7.0 9.0 11.0 13.0 15.0 (1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖8中作出F—L圖線； 圖8 (2)由此圖線可得，該彈簧勁度系數(shù)k＝________N/m； (3)圖線與L軸的交點(diǎn)坐標(biāo)大于L0的原因是________________________． 答案　見(jiàn)解析 解析　(1)如圖所示 (2)圖象的斜率表示勁度系數(shù)，故有： k＝＝N/m＝50 N/m. (3)圖線與L軸的交點(diǎn)坐標(biāo)表示彈簧不掛鉤碼時(shí)的長(zhǎng)度，其數(shù)值大于彈簧原長(zhǎng)，是因?yàn)槭軓椈勺陨碇亓Φ挠绊懀? 9