适用于新教材2024版高考物理一轮总复习第2章相互作用实验探究课2探究弹簧弹力与形变量的关系课件

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一、实验目的探究弹簧弹力与形变量的定量关系。二、实验思路1.如图所示,弹簧弹力(F)等于悬挂钩码的重力。 静止时读数2.弹簧伸长量(x)等于弹簧的现长(l)减去原长(l0)。3.多测几组,找出F与x的关系。三、实验器材弹簧、毫米刻度尺、铁架台、钩码若干、坐标纸。
四、进行实验1.安装实验仪器。 竖直悬挂,自然下垂时测量2.用刻度尺测出弹簧的原长。3.在弹簧下端挂质量为m1的钩码,量出此时弹簧的长度l1,填入表格中。4.改变所挂钩码的质量,量出对应的弹簧长度,记录m2,m3,m4,m5和相应的弹簧长度l2,l3,l4,l5,并得出每次弹簧的伸长量x1,x2,x3,x4,x5。
五、数据处理与分析1.以弹力F为纵坐标,以弹簧的伸长量x为横坐标,建立坐标系,选取合适的单位,用描点法作图。用平滑的曲线连接各点,得到弹力F随弹簧伸长量x变化的关系图像。2.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,则考虑二次函数等。3.得出弹力和弹簧伸长量之间的定量关系,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以及画图时描点连线不准确等都会引起实验误差。2.悬挂钩码数量过多,导致弹簧的形变量超出了其弹性限度,不再符合胡克定律(F=kx),图像发生弯曲。3.水平放置弹簧测量其原长,由于弹簧有自重,将其悬挂起来后会有一定的伸长量,使图像横轴截距不为零。
易错辨析·判一判(1)弹簧被拉伸时,不能超出它的弹性限度。(　√　)(2)用悬挂钩码的方法给弹簧施加拉力,应保证弹簧位于竖直位置且处于平衡状态。(　√　)(3)用直尺测得弹簧的长度即为弹簧的伸长量。(　×　)(4)用几个不同的弹簧分别测出几组拉力与伸长量,得出的拉力与伸长量之比相等。(　×　)(5)测量弹簧原长时应将弹簧平放于水平桌面上。(　×　)(6)弹簧竖直悬挂于铁架台的横梁上,刻度尺应竖直固定在弹簧附近。 (　√　)
典例1.在探究弹力与弹簧伸长量的关系的实验中,将弹簧测力计竖直悬挂,待弹簧测力计静止时,长度记为L0,弹簧测力计下方挂上砝码盘时,长度记为Lp,在砝码盘中每次增加10 g砝码,弹簧长度依次记为L1~L7,记录数据见下表。
(1)甲同学用图像法处理实验数据,他根据表中数据作的图像如图所示,纵轴是砝码的质量,则横轴应是弹簧长度与　　　(选填“L0”或“Lp”)的差值。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(结果保留两位有效数字,重力加速度取9.8 m/s2)。 (2)乙同学用公式法处理实验数据,即用ΔF=kΔL计算k,为充分利用每一组数据,该同学将所测得的数据按如下方法逐一求差(逐差法),分别计算出四个差值:ΔL1=L4-Lp=8.00 cm;ΔL2=L5-L1=8.05 cm;ΔL3=L6-L2=8.00 cm;ΔL4=　　　　=　　　　 cm。 根据以上差值,可以求出每增加m=10 g砝码弹簧的平均伸长量ΔL;再由ΔF=kΔL计算出k,请用Lp、L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7和mg表示出k=　 。
解析 (1)充分利用测量数据和图像,根据公式ΔF=kΔx可知横轴是弹簧的长度与Lp的差值;
对点演练1.(2023湖北重点中学联考)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　 。 答案 (1)刻度尺　(2)弹簧挂不同个数的钩码时所对应的伸长量　(3)200　弹簧自身存在重力
典例2.(2021广东卷)某兴趣小组测量一缓冲装置中弹簧的劲度系数。缓冲装置如图所示,固定在斜面上的透明有机玻璃管与水平面夹角为30°,弹簧固定在有机玻璃管底端。实验过程如下:先沿管轴线方向固定一毫米刻度尺,再将单个质量为200 g的钢球(直径略小于玻璃管内径)逐个从管口滑进,每滑进一个钢球,待弹簧静止,记录管内钢球的个数n和弹簧上端对应的刻度尺示数Ln,数据如表所示。实验过程中弹簧始终处于弹性限度内。采用逐差法计算弹簧压缩量,进而计算其劲度系数。
(1)利用ΔLi=Li+3-Li(i=1,2,3)计算弹簧的压缩量:ΔL1=6.03 cm,ΔL2=6.08 cm,
(3)忽略摩擦,重力加速度g取9.80 m/s2,该弹簧的劲度系数为　　　　 N/m(结果保留3位有效数字)。 答案 (1)6.04　6.05　(2)3　(3)48.6
解析 (1)根据题意ΔL3=L6-L3=6.04 cm;
对点演练2.某实验小组探究弹簧的劲度系数k与其长度(圈数)的关系。实验装置如图甲所示,一均匀长弹簧竖直悬挂,7个指针P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6分别固定在弹簧上距悬点0、10、20、30、40、50、60圈处;通过旁边竖直放置的刻度尺,可以读出指针的位置,P0指在0刻度。设弹簧下端未挂重物时,各指针的位置记为x0;挂有质量为0.100 kg的砝码时,各指针的位置记为x。测量结果及部分计算结果如下表所示(n为弹簧的圈数,重力加速度取9.80 m/s2)。已知实验所用弹簧总圈数为60,整个弹簧的自由长度为11.88 cm。
答案 (1)①81.7　②0.012 2　(2)图像见解析