2022届高考物理一轮复习第二章相互作用第6课时探究弹力和弹簧伸长的关系学案.docx

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1、第6课时探究弹力和弹簧伸长的关系 把握经典实验方案一、实验目的1探究弹力和弹簧伸长的关系。2学会利用图像法处理实验数据，探究物理规律。二、实验原理1如图所示，弹簧在下端悬挂钩码时会伸长，平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码的重力大小相等。2用刻度尺测出弹簧在不同钩码拉力下的伸长量x，建立直角坐标系，以纵坐标表示弹力大小F，以横坐标表示弹簧的伸长量x，在坐标系中描出实验所测得的各组(x，F)对应的点，用平滑的曲线连接起来，并根据图线特征拟合，根据实验所得的图线，就可探知弹力大小与弹簧伸长量间的关系。三、实验器材铁架台、毫米刻度尺、弹簧、钩码(若干)、三角板、铅笔、重垂线、坐标纸等。四、实验步骤1根据实

2、验原理图，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，在靠近弹簧处将刻度尺(分度值为1 mm)固定于铁架台上，并用重垂线检查刻度尺是否竖直。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，要尽量多测几组数据，将所测数据填写在表格中。记录表：弹簧原长l0_ cm。次数内容123456拉力F/N弹簧总长/cm弹簧伸长/cm五、数据处理1以弹力F(大小等于所挂钩码的重力)为纵坐标，以弹簧的伸长量x为横坐标，用描点法作图，连接各点得

3、出弹力F随弹簧伸长量x变化的图线。2以弹簧的伸长量为自变量，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。融通多彩实验方案1鲁科版新教材探究弹簧弹力的大小与伸长量的关系实验装置图要点解读(1)刻度尺固定在铁架台上，刻度尺的零点与弹簧悬点并不对齐。(2)弹簧的伸长量仍等于两次弹簧长度的读数之差。2教科版新教材探究弹簧弹力与形变的关系实验装置图实验原理及数据处理方法与经典实验方案类似。归纳共性实验关键1不变的实验原理(1)都是利用平衡时弹簧弹力等于悬挂钩码的重力大小来得到弹簧弹力的大小，即FG。(2)都是利用刻度尺测量弹簧原长l0和挂钩码后弹簧的长度l，利用xll0得出弹簧的形变量

4、x。2必备的实验器材铁架台、刻度尺、弹簧、钩码(若干)。3通用的数据处理方法以纵坐标表示弹簧弹力大小F，以横坐标表示弹簧的形变量x，建立直角坐标系，在坐标系中描出实验所测得的各组(x，F)对应的点，得出F随x变化的图线。4共同的注意事项(1)所挂钩码不要过重，不能超出弹簧的弹性限度。(2)测量弹簧的长度时，一定要在弹簧竖直悬挂且处于稳定状态时测量。(3)连线时要注意一定要使各点均匀分布在直线的两侧。考法一实验原理与操作1如图甲所示，用铁架台、弹簧和多个质量均为m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)实验中需要测量的物理量有：_。(3

5、)图乙是弹簧弹力F与弹簧伸长量x的Fx图线，由此可求出弹簧的劲度系数为_N/m。图线不过原点是由于_。(4)为完成该实验，设计实验步骤如下：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将铁架台固定在桌子上，并将弹簧的一端系在横梁上，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

6、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刻度尺来测量弹簧原长和挂上钩码后的长度。(2)根据实验原理，实验中需要测量的物理量有弹簧的原长、弹簧所受外力与弹簧对应的长度。(3)取题图乙中(0.5 cm,0)和(3.5 cm,6 N)两个点，代入Fkx解得 k200 N/m，由于弹簧自身的重力，使得实验中弹簧不加外力时就有形变量。(4)根据实验操作的合理性可知，实验步骤的先后顺序为C、B、D、A、E、F、G。答案：(1)刻度尺(2)弹簧原长、弹簧所受外力与弹簧对应的长度(3)200弹簧自身的重力(4)CBDAEFG2利用如图1所示的装置探

7、究弹簧的弹力与形变量的关系。(1)对于该实验，下列操作规范的是_。A固定刻度尺时，保持刻度尺的零刻度线与弹簧上端对齐且竖直并靠近弹簧B实验中任意增加钩码的个数C实验中仅把弹簧竖直悬挂待稳定时测量弹簧的原长D处理实验数据时，把所有的描点用折线连起来(2)实验时先测出不挂钩码时弹簧的自然长度，再将5个钩码逐个挂在弹簧的下端，每次测出相应的弹簧总长度L，测量后把6组数据描点在坐标图中，作出的FL图线如图2所示。由此图线可得出该弹簧的原长L0_ cm，劲度系数k_N/m。解析：(1)固定刻度尺时，保持刻度尺的零刻度线与弹簧上端对齐且竖直并靠近弹簧，故A项正确；实验过程应使弹簧始终在弹性限度内，实验中不

8、能任意增加钩码的个数，以防止超过弹簧的弹性限度，故B项错误；为防止弹簧自重对实验的影响，实验中仅把弹簧竖直悬挂待稳定时测量弹簧的原长，故C项正确；处理实验数据时，应根据实验数据在坐标系内描出对应点，然后作出图像，图像应是直线而不是折线，故D项错误。(2)由题图乙可知，F0时L0.05 m5 cm，则弹簧的原长为5 cm，弹簧的劲度系数：k N/m20 N/m。答案：(1)AC(2)520考法二数据处理和误差分析3一个实验小组做“探究弹簧弹力与弹簧伸长关系”的实验，采用如图甲所示装置，质量不计的弹簧下端挂一个小盘，在小盘中增添砝码，改变弹簧的弹力。实验中作出小盘中砝码重力与弹簧伸长量x的关系图像

9、如图乙所示。(取重力加速度g10 m/s2)(1)由图乙可知该弹簧的劲度系数为_N/m。(2)由图乙可求得小盘的质量为_kg，小盘的质量会导致弹簧劲度系数的测量结果与真实值相比_。(选填“偏大”“偏小”或“相同”)解析：(1)Fx图线的斜率k的大小等于弹簧劲度系数的大小，即k2 N/cm200 N/m。(2)当小盘中砝码重力为零时，小盘重力使弹簧伸长量为0.5 cm，由Fkx得，小盘重力大小为1 N，即小盘质量为0.1 kg，劲度系数是根据图线斜率计算出的，小盘的质量对结果无影响。答案：(1)200(2)0.1相同4某同学探究弹力与弹簧伸长量的关系。(1)将弹簧悬挂在铁架台上，将刻度尺固定在弹

10、簧一侧。弹簧轴线和刻度尺都应在_(选填“水平”或“竖直”)方向。(2)弹簧自然悬挂，待弹簧_时，长度记为L0；弹簧下端挂上砝码盘时，长度记为Lx；在砝码盘中每次增加10 g砝码，弹簧长度依次记为L1至L6。数据如表：符号L0LxL1L2L3L4L5L6数值/cm25.3527.3529.3531.3033.435.3537.4039.30表中有一个数值记录不规范，符号为_。由表可知所用刻度尺的最小分度为_。(3)如图是该同学根据表中数据作的图，纵轴是砝码的质量，横轴是弹簧长度与_(选填“L0”或“Lx”)的差值。(4)由图可知弹簧的劲度系数为_N/m；通过图和表可知砝码盘的质量为_g。(结果均

11、保留两位有效数字，重力加速度取9.8 m/s2)解析：(1)为保证弹簧的形变只由砝码和砝码盘的重力引起，所以弹簧轴线和刻度尺均应在竖直方向。(2)弹簧静止时，才能读取其长度；表中的数据L3与其他数据有效数字位数不同，所以数据L3记录不规范，规范数据应读至厘米位的后两位，精确至mm，所以刻度尺的最小分度为1 mm。(3)由题图知所挂砝码质量为0时，x为0，所以xLLx。(4)由胡克定律Fkx可知，mgk(LLx)，即mgkx，所以图线斜率为，则弹簧的劲度系数k N/m4.9 N/m；同理砝码盘质量mkg0.01 kg10 g。答案：(1)竖直(2)静止L31 mm(3)Lx(4)4.910关键点

12、拨实验数据处理的三种方法图像法根据测量数据，在建好直角坐标系的坐标纸上描点，以弹簧的弹力F为纵轴，弹簧的伸长量x为横轴，根据描点的情况，作出一条经过原点的直线列表法将实验数据填入表中，研究测量的数据，可发现在实验误差允许的范围内，弹力与弹簧伸长量的比值是一常数函数法根据实验数据，找出弹力与弹簧伸长量的函数关系 例1(2021广州模拟)某兴趣小组用如图甲所示实验装置完成探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系后做拓展研究。实验步骤如下：将轻质弹簧悬挂于铁架台，测得弹簧原长L0；在弹簧下端拴挂质量为m的钩码，待系统静止时，测得弹簧长度L；当地重力加速度为g，弹簧的劲度系数k_(用m、g、L0、L表示)；托起钩

13、码使弹簧恢复原长，并由静止释放，测得弹簧拉伸的最大长度L。发现LL，于是进一步探究弹簧两次伸长量x0LL0和xLL0之间的关系；改变钩码个数，重复实验，得到多组x0、x数据，作出xx0图像如图乙所示；由图乙可知_，该小组换用不同弹簧进行同样实验，发现的值相同。通过分析，该小组得出了弹簧弹性势能Ep表达式：(1)将上面、步骤补充完整；(2)步骤中，系统静止时，钩码受力平衡有mg_(用k、x0表示)；(3)步骤中，根据机械能守恒定律，弹簧被拉伸到最长时的弹性势能Ep_(用m、g、x表示)；(4)结合步骤，劲度系数为k的弹簧伸长x时，对应的弹性势能Ep_(用k、x表示)。三步化“新”为“熟”1分析实

14、验目的：探究弹力与弹簧伸长的关系拓展到劲度系数、伸长量、弹性势能的研究。2确定实验原理：力的平衡和胡克定律相结合。3制定数据处理方案：结合xx0图像进行数据分析。解析(1)由平衡可得：mgk(LL0)，解得：k；由题图乙可知2；(2)步骤中，系统静止时，钩码受力平衡有mgkx0(3)步骤中，根据机械能守恒定律，弹簧被拉伸到最长时的弹性势能等于物体重力势能的减小量，即Epmgx；(4)劲度系数为k的弹簧伸长x时，对应的弹性势能Epmgxkxx0kx2。答案(1)2(2)kx0(3)mgx(4)kx2例2某同学利用弹簧测力计、小车、砝码、钩码、木块和带有定滑轮的长木板等器材，探究滑动摩擦力Ff与正

15、压力FN之间的关系，实验装置如图所示。该同学主要的实验步骤如下：a将一端带有定滑轮的长木板放在水平桌面上，在细绳一端悬挂适量的钩码，使其能够带动小车向右运动b多次改变木块上砝码的个数，并记录多组数据c进行数据处理，得出实验结论请回答下列问题：(1)实验中应测量木块和木块上砝码所受的总重力，并记录_。(2)利用图像法处理实验数据，以滑动摩擦力Ff为横轴，正压力FN为纵轴，建立直角坐标系。若通过描点，得到一条倾斜的直线，该直线的斜率所表示的物理意义(可用文字描述)为_。(3)通过实验可得出的结论是：_。三步化“新”为“熟”1分析实验目的：探究滑动摩擦力Ff与正压力FN之间的关系。2确定实验原理：弹

16、簧测力计的示数等于滑动摩擦力，测出正压力，多次测量，利用图像得出摩擦力和正压力的关系。3制定数据处理方案：通过改变木块上砝码的个数，改变正压力，得出对应的弹簧测力计示数，画出FNFf图像。解析(1)实验中应测量木块和木块上砝码所受的总重力，大小等于小车受到的正压力FN；并记录弹簧测力计的示数，该示数等于小车所受的滑动摩擦力Ff。(2)由FfFN可知，所得FNFf图线的斜率所表示的物理意义为动摩擦因数的倒数。(3)通过实验可得出的结论是：在误差允许的范围内，滑动摩擦力Ff与正压力FN成正比。答案(1)弹簧测力计的示数(2)动摩擦因数的倒数(3)在误差允许的范围内，滑动摩擦力Ff与正压力FN成正比 创新角度归纳实验原理的创新(1)由分析Fx图像转化为分析xx0图像(2)由探究胡克定律转化为探究弹性势能(1)弹簧水平放置，消除弹簧自身重力对实验的影响(2)改变弹簧的固定方式，研究弹簧弹力大小与伸长量大小的关系实验器材的创新将弹簧水平放置，且一端固定在传感器上，传感器与电脑相连，对弹簧施加变化的作用力(拉力或推力)时，电脑上得到弹簧弹力和弹簧形变量的关系图像，分析图像得出结论