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    2022届高三统考物理人教版一轮复习学案:实验二 探究弹力和弹簧伸长的关系
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    2022届高三统考物理人教版一轮复习学案:实验二 探究弹力和弹簧伸长的关系

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    这是一份2022届高三统考物理人教版一轮复习学案:实验二 探究弹力和弹簧伸长的关系,共8页。

    实验溯本求源
    ●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,以免超出弹簧的弹性限度.
    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
    不要画折线.
    ●误差分析
    1.产生原因
    (1)钩码标值不准确.
    (2)弹簧长度测量不准确.
    (3)描点、作图不准确.
    2.减小方法
    (1)弹簧一端固定,另一端通过悬挂钩码来充当对弹簧的拉力,待稳定后再读数.
    (2)固定刻度尺,多测几次.
    (3)坐标轴的标度尽量大一些,描线时让尽量多的点落在线上或均匀分布于线的两侧.
    实验热点探究
    热点一 教材原型实验
    例1 一名同学用图示装置做“测定弹簧的劲度系数”的实验.
    (1)以下是这位同学根据自己的设想拟定的实验步骤,请按合理的操作顺序将步骤的序号写在横线上________.
    A.以弹簧长度l为横坐标,以钩码质量m为纵坐标,标出各组数据(l,m)对应的点,并用平滑的曲线或直线连接起来;
    B.记下弹簧下端不挂钩码时,其下端A处指针所对刻度尺上的刻度l0;
    C.将铁架台固定于桌子上,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……钩码,待钩码静止后,读出弹簧下端指针指示的刻度记录在表格内,然后取下钩码;
    E.由图象找出m­l间的函数关系,进一步写出弹力与弹簧长度之间的关系式(重力加速度取g=10 m/s2);求出弹簧的劲度系数.
    (2)图为根据实验测得数据标出的对应点,请作出钩码质量m与弹簧长度l之间的关系图线.
    (3)写出弹簧弹力F和弹簧长度l之间关系的函数表达式:________.
    (4)此实验得到的结论是:此弹簧的劲度系数k=________ N/m.(计算结果保留三位有效数字)
    (5)如果将指针分别固定在图示A点上方的B处和A点下方的C处,作出钩码质量m和指针所对刻度l的关系图象,由图象进一步得出的弹簧的劲度系数kB、kC.kB、kC与k相比,可能是________.(请将正确选项的字母填在横线处)
    A.kB大于k B.kB等于k
    C.kC小于k D.kC等于k
    练1 在探究弹力和弹簧的关系实验中,小明同学用甲、乙两根规格不同的弹簧进行实验,由实验得到弹簧伸长量x与弹簧受到的拉力F的关系如图a所示,由图求得弹簧乙的劲度系数为__________N/m.若要在两根弹簧中选用一个来制作精度较高的弹簧测力计,应选弹簧__________;用制作好的弹簧测力计来测量物体的重力,如图b所示,物体重__________N.
    练2 [2018·全国卷Ⅰ,22]如图(a),一弹簧上端固定在支架顶端,下端悬挂一托盘;一标尺由游标和主尺构成,主尺竖直固定在弹簧左边;托盘上方固定有一能与游标刻度线准确对齐的装置,简化为图中的指针.
    现要测量图(a)中弹簧的劲度系数.当托盘内没有砝码时,移动游标,使其零刻度线对准指针,此时标尺读数为1.950 cm;当托盘内放有质量为0.100 kg的砝码时,移动游标,再次使其零刻度线对准指针,标尺示数如图(b)所示,其读数为________ cm.当地的重力加速度大小为9.80 m/s2,此弹簧的劲度系数为________ N/m(保留3位有效数字).
    热点二 实验拓展创新
    题型1|实验装置改进
    例2 [2019·海南]某同学利用图a的装置测量轻弹簧的劲度系数.图中,光滑的细杆和直尺水平固定在铁架台上,一轻弹簧穿在细杆上,其左端固定,右端与细绳连接;细绳跨过光滑定滑轮,其下端可以悬挂砝码(实验中,每个砝码的质量均为m=50.0 g).弹簧右端连有一竖直指针,其位置可在刻度尺上读出.实验步骤如下:
    ①在绳下端挂上一个砝码,调整滑轮,使弹簧与滑轮间的细线水平且弹簧与细杆没有接触;
    ②系统静止后,记录砝码的个数及指针的位置;
    ③逐次增加砝码个数,并重复步骤②(保持弹簧在弹性限度内);
    ④用n表示砝码的个数,l表示相应的指针位置,将获得的数据记录在表格内.
    回答下列问题:
    (1)根据下表的实验数据在图b中补齐数据点并做出l­n图象.
    (2)弹簧的劲度系数k可用砝码质量m、重力加速度大小g及l­n图线的斜率α表示,表达式为k=________.若g取9.8 m/s2,则本实验中k=________N/m(结果保留3位有效数字).
    题型2|实验器材与方法的创新
    例3 用如图所示的实验装置研究弹簧的弹力与形变量之间的关系.轻弹簧上端固定一只力传感器.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.测量数据如表格所示:
    (1)以x为横坐标,F为纵坐标,在如图的坐标纸上描绘出能够正确反映弹力与伸长量关系的图线.
    (2)由图线求得该弹簧的劲度系数为________(保留两位有效数字).
    题型3拓展实验——探究橡皮筋伸长与所受拉力的关系
    例4 [2020·宝鸡质检]某物理学习小组用如图甲所示装置来研究橡皮筋的劲度系数(遵循胡克定律且实验中弹力始终未超过弹性限度),将一张白纸固定在竖直放置的木板上,原长为L0的橡皮筋的上端固定在O点,下端挂一重物.用与白纸平行的水平力(由拉力传感器显示其大小)作用于N点,静止时记录下N点的位置a,请回答:
    (1)若拉力传感器显示的拉力大小为F,用刻度尺测量橡皮筋ON的长为L及N点与O点的水平距离为x,则橡皮筋的劲度系数为________________(用所测物理量表示).
    (2)若换用另一个原长相同的橡皮筋,重复上述过程,记录静止时N点的位置b,发现O、a、b三点刚好在同一直线上,其位置如图乙所示,则下列说法中正确的是________.
    A.第二次拉力传感器显示的拉力示数较大
    B.两次拉力传感器显示的拉力示数相同
    C.第二次所用的橡皮筋的劲度系数小
    D.第二次所用的橡皮筋的劲度系数大
    练3 [2021·江苏模拟]小李同学尝试用电压表量度弹簧的拉力.他设计了如图1所示的实验装置,其中MN是一条长20 cm、电阻为20 Ω的均匀电阻丝.电阻不计的金属弹簧下端与滑动接触头P相连,上端连有接线柱.将电阻线固定在竖直位置,当弹簧被拉长时,P可沿MN自由的滑动.直流电源的电动势为4.5 V,内阻可忽略.将电阻箱的阻值设定为40 Ω,当拉力为0时,P刚好触及到电阻丝的顶点M,此时让接入的电压表读数为0.
    (1)为达到实验目的,请你帮他完成实物连线图(导线要接在接线柱上).
    (2)当P触及到端点N时,电压表的读数为________V.
    (3)已知该弹簧的伸长量x与拉力F关系图线如图2所示,则弹簧拉力F与电压表读数U的关系式为________.
    练4 [2020·深圳中学第六次月考]某研究性学习小组的同学设计了探究轻质弹簧的相关特性的实验.
    (1)如图甲所示,将轻质弹簧上端固定于铁架台上,在弹簧下端依次增加钩码的个数,测量出弹簧相应的长度(在弹性限度内),部分数据已经填入表格中,由这些数据可得出该弹簧的劲度系数k=________N/m(重力加速度g取10 m/s2);
    (2)如图乙所示,将此轻质弹簧一端固定在水平木板左端的挡板上,另一端紧靠(不粘连)一质量为m、带有挡光片的小滑块,将弹簧压缩到位置P后由静止释放.当光电门到P点的距离为x时(x大于弹簧的压缩量),测出小滑块上的挡光片通过光电门的时间为Δt,已知挡光片的宽度为d,则小滑块到达光电门的动能Ek=________.只改变光电门的位置,测出多组数据(每次小滑块都能通过光电门),并作出Ek­x图象如图丙所示.已知该图线斜率的绝对值为k0,纵轴截距为b,则可知小滑块与木板间的动摩擦因数为________,释放小滑块时弹簧的弹性势能Ep=________.(均用题给物理量字母表示)
    实验二 探究弹力和弹簧伸长的关系
    例1 解析:(3)m­l图线的斜率k′=1.25 kg/m,弹簧的劲度系数k=k′g,则弹簧弹力和长度l的关系为F=gk′(l-l0)
    l0=15×10-2 m,所以F=12.5(l-0.15)
    (4)k=k′g=1.25×10 N/m=12.5 N/m
    (5)指针固定在B处,测量弹簧伸长量时偏小,由F=kΔl可知,k偏大,A正确;指针固定在C处,不影响弹簧伸长量的测量,k值不变,D正确.
    答案:(1)CBDAE
    (2)如图所示
    (3)F=12.5(l-0.15) (4)12.5 (5)AD
    练1 解析:注意该图象中纵坐标表示伸长量,横坐标表示拉力,斜率的倒数表示弹簧的劲度系数,由此可求出k乙=5-00.025-0=200 N/m.由于甲的劲度系数小,因此其精度高,若要在两根弹簧中选用一个来制作精度较高的弹簧测力计,应选弹簧甲.用制作好的弹簧测力计来测量物体的重力,如题图b所示,物体重4.0 N.
    答案:200 甲 4.0
    练2 解析:①主尺读数3.7 cm,即37 mm,游标卡尺第15刻度线与主尺上某刻度线对齐,所以总读数为37 mm+15×120 mm=37.75 mm=3.775 cm;
    ②由F=kΔx得k=FΔx=mgx2-x1=0.100××10-2 N/m=×10-2 N/m≈53.7 N/m
    答案:3.775 53.7
    例2 解析:(1)描出点后,作出图线如答案图所示.
    (2)l­n图线的斜率为α=ΔlΔn
    由胡克定律有ΔF=kΔl
    即Δnmg=kΔl
    联立以上各式可得:k=mgα
    由图可得:
    斜率约为:α=0.48×10-2
    劲度系数约为:k=102 N/m
    答案:(1)图线如图所示
    (2)mgα 102
    例3 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,图象斜率代表弹簧劲度系数.
    答案:(1)如图
    (2)75 N/m(73~77 N/m均对)
    例4 解析:(1)设轻质弹簧与竖直方向的夹角为θ,重物的重力为G.结点N在竖直向下的拉力(大小为G)、轻质弹簧对其的拉力T和水平拉力F作用下处于平衡状态,有sin θ=FT,其中sin θ=xL,T=k(L-L0),解得k=FLxL-L0.
    (2)由(1)还可得F=G tan θ,T=Gcsθ
    因为两次实验中G、θ均相同,所以两次拉力传感器显示的拉力示数相同,两次轻弹簧的拉力也相同,而轻弹簧的原长相同,第二次所用的轻质弹簧的伸长量大,由胡克定律知第二次所用的轻质弹簧的劲度系数小.
    答案:(1)FLxL-L0 (2)BC
    练3 解析:(1)当拉力为0时,P刚好触及到电阻丝的端点M,此时让接入的电压表读数为0,即整个电路中,MN相当于滑动变阻器,采用分压式接法,故连接图如图所示:
    (2)当P触及到端点N时,电压表的读数即MN电阻分得的电压,根据闭合电路的欧姆定律可知
    U=ERMN+R电阻箱RMN=1.50 V.
    (3)由图2可知,x=0.5F,x段电阻大小为
    r=x20×20=0.5F.
    根据闭合电路的欧姆定律可知
    U=ERMN+R电阻箱·r,解得F=803U.
    答案:(1)见解析 (2)1.50 (3)F=803U
    练4 解析:(1)由表中数据可得,弹簧的劲度系数为k=Fx=mgx=25 N/m;
    (2)小滑块通过光电门的速度v=dΔt,小滑块到达光电门时的动能Ek=12mv2=12mdΔt2;从释放小滑块到小滑块通过光电门,根据能量守恒可得Ek=Ep-μmgx,Ek ­x图象斜率的绝对值为k0,纵轴截距为b,则Ep=b,k0=μmg,解得小滑块与木板间的动摩擦因数为μ=k0mg.
    答案:(1)25 (2)12mdΔt2 k0mg b
    n
    1
    2
    3
    4
    5
    l/cm
    10.48
    10.96
    11.45
    11.95
    12.40
    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
    钩码质量/g
    0
    50
    100
    150
    弹簧长度/cm
    6.50
    8.50
    10.50
    12.50
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