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

这是一份新教材适用2024版高考物理一轮总复习第2章相互作用实验2探究弹簧弹力与形变量的关系课件，共53页。PPT课件主要包含了实验知识·自主回顾，核心考点·重点突破，年高考·1年模拟，弹簧伸长，钩码总重力，平滑的曲线，重垂线，坐标纸，弹力F，伸长量x等内容，欢迎下载使用。

实验二　探究弹簧弹力与形变量的关系
一、实验目的(1)探究弹力与____________的定量关系。(2)学会利用图像研究两个物理量之间的关系的方法。
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_______________大小相等。(2)用刻度尺测出弹簧在不同的钩码拉力下的伸长量，建立坐标系，以纵坐标表示弹力大小F，以横坐标表示弹簧的伸长量x，在坐标系中找出实验所测得的各组(x，F)对应的点，用_______________连接起来，根据实验所得的图线，就可探知弹力大小与伸长量间的关系。三、实验器材除轻质弹簧(一根)，钩码(一盒)，刻度尺，铁架台外，还需_________，_________，三角板。
四、实验步骤(1)如图所示，将铁架台放于桌面上(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_________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。(3)在弹簧下端挂上一个钩码，待钩码静止后，记下弹簧下端所对应的刻度L1。(4)用上面方法，记下弹簧下端挂2个、3个、4个……钩码时，弹簧下端所对应的刻度L2、L3、L4……并将所得数据记录在表格中。(5)用xn＝Ln－L0计算出弹簧挂1个、2个、3个……钩码时弹簧的伸长量，并根据当地重力加速度值g，计算出所挂钩码的总重力，这个总重力就等于______的大小，将所得数据填入表格。
(6)根据所测数据在坐标纸上描点，最好以______为纵坐标，以弹簧的_________为横坐标。
(7)按照图中各点的分布与走向，尝试作出一条平滑的曲线(包括直线)。所画的点不一定正好都在这条曲线上，但要注意使曲线两侧的点数大致相同。(8)以弹簧的伸长为自变量，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。(9)解释函数表达式中常数的物理意义。
五、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。
六、注意事项1．安装实验装置：要保持刻度尺竖直并靠近弹簧。2．不要超过弹性限度：实验中弹簧下端挂的钩码不要太多，以免超过弹簧的弹性限度。3．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。4．观察所描点的走向：不要画折线。5．统一单位：记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位。
(2023·福建高三模拟)某同学用图a所示装置做“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验。(1)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．将铁架台固定于桌上，将弹簧一端系于横梁上，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m－l图像，进一步找出弹簧弹力与弹簧形变量之间的关系。
(2)图b为根据实验测得数据标出的对应点，在图b中作出钩码质量m与弹簧长度l间的关系图线_________；(3)由图像可知，弹簧下端不挂钩码时，指针A处所对刻度尺上的刻度l0＝______ cm；(4)此弹簧的劲度系数k＝____________ N/m。(g取10 m/s2，结果保留三位有效数字)
[解析](1)本实验的操作步骤是：将铁架台固定于桌上，将弹簧一端系于横梁上，在弹簧附近竖直固定一把刻度尺，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，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，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，由m－l图像，进一步找出弹簧弹力与弹簧形变量之间的关系。故步骤顺序为CBDAE。
(2)舍去误差比较大的点，将其他点用直线拟合，如图所示。(3)图像的横截距即为弹簧下端不挂钩码时，指针A处所对刻度尺上的刻度l0＝15 cm。(4)图像的斜率与重力加速度的乘积表示弹簧的劲度系数，即k＝
图像法处理弹簧弹力问题
用刻度尺测出弹簧在不同钩码拉力下的伸长量x，建立坐标系，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，根据实验所得的图线，就可探知弹簧弹力大小与弹簧伸长量间的关系。注意分析图像的斜率、截距的意义。
〔变式训练1〕　(2023·江西模拟预测)某同学利用如图甲所示的实验装置完成了“探究弹簧弹力与其伸长量的关系”实验，该同学完成了如下的操作：
Ⅰ.将弹簧竖直悬挂在铁架台的横梁上，记录弹簧的长度x0；Ⅱ.然后在弹簧下端挂上钩码，并逐个增加钩码的个数，并依次记录弹簧的总长度；Ⅲ.现以砝码的个数为纵轴、弹簧的长度为横轴，描绘出的图像如图乙所示。已知一个钩码的质量为m0＝50 g，重力加速度g取10 m/s2，则：(1)弹簧的原长为x0＝___ cm；(2)该弹簧的劲度系数为k＝______ N/m；(3)图像向上弯曲的原因是______________________________。
弹簧受力超过弹簧的弹性限度
某同学为研究橡皮筋伸长与所受拉力的关系，做了如下实验：①如图(甲)所示，将白纸固定在制图板上，橡皮筋一端固定在O点，另一端A系一小段轻绳(带绳结)；将制图板竖直固定在铁架台上。②将质量m＝100 g的钩码挂在绳结上，静止时描下橡皮筋下端点的位置A0；用水平力拉A点，使A点在新的位置静止，描下此时橡皮筋下端点的位置A1；逐步增大水平力，重复5次……③取下制图板，量出A1，A2，…各点到O的距离l1，l2，…量出各次橡皮筋与OA0之间的夹角α1，α2，…。
完成下列填空：(1)已知重力加速度为g，当橡皮筋与OA0间的夹角为α时，橡皮筋所受的拉力大小为_______(用g，m，α表示)。(2)由图(乙)可得橡皮筋的劲度系数k＝__________________N/m，橡皮筋的原长l0＝________ m。(g取10 m/s2，结果保留两位有效数字)
〔变式训练2〕　(2023·广东高三专题练习)某同学探究如图甲中台秤的工作原理。他将台秤拆解后发现内部简易结构如图乙所示，托盘A、竖直杆B、水平横杆H与齿条C固定连在一起，齿轮D可无摩擦转动，与齿条C完全啮合，在齿轮上固定指示示数的轻质指针E，两根完全相同的弹簧将横杆H吊在秤的外壳I上。他想根据指针偏转角度测量弹簧的劲度系数，经过调校，托盘中不放物品时，指针E恰好指在竖直向上的位置。若放上质量为m的物体指针偏转了θ弧度，(θ<2π)，齿轮D的直径为d，重力加速度为g，则
(1)指针偏转了θ弧度的过程，弹簧变长了___(用题干所给的参量表示)。(2)每根弹簧的劲度系数表达式为___(用题干所给的参量表示)。(3)该同学进一步改进实验，引入了角度传感器测量指针偏转角度，先后做了六次实验，得到数据并在坐标纸上作出上图，可得到每根弹簧的劲度系数为____________________________N/m(d＝5.00 cm, g＝9.8 m/s2，结果保留三位有效数字)。
154N/m(152N/m～156N/m)
1.(2021·广东卷，11)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。
2．(2023·广东高三专题练习)某同学用如图甲所示的装置来探究弹簧弹力F和长度x的关系，把弹簧上端固定在铁架台的横杆上，记录弹簧自由下垂时下端所到达的刻度位置。然后，在弹簧下端悬挂不同质量的钩码，记录每一次悬挂钩码的质量和弹簧下端的刻度位置。实验中弹簧始终未超过弹簧的弹性限度。通过分析数据得出实验结论。
(1)图丙是该同学某次测量的弹簧长度，该长度是__________ cm。(2)以弹簧受到的弹力F为纵轴、弹簧长度x为横轴建立直角坐标系，依据实验数据作出F－x图像，如图乙所示。由图像可知：弹簧自由下垂时的长度L0＝_________ cm，弹簧的劲度系数k＝______ N/m。(3)该同学在做“探究弹力和弹簧伸长量的关系”实验中，如果他先把弹簧平放在桌面上使其自然伸长，用毫米刻度尺测出弹簧的原长L0，再把弹簧竖直悬挂起来，挂上钩码后测出弹簧伸长后的长度L，把L－L0作为弹簧的伸长量x。请论述这样操作，对弹簧劲度系数的测量结果___(选填“有”或“无”)影响。
3．(2022·湖南卷)小圆同学用橡皮筋、同种一元硬币、刻度尺、塑料袋、支架等，设计了如图(a)所示的实验装置，测量冰墩墩玩具的质量。主要实验步骤如下：
(1)查找资料，得知每枚硬币的质量为6.05 g；(2)将硬币以5枚为一组逐次加入塑料袋，测量每次稳定后橡皮筋的长度l，记录数据如下表：
(3)根据表中数据在图(b)上描点，绘制图线；
(4)取出全部硬币，把冰墩墩玩具放入塑料袋中，稳定后橡皮筋长度的示数如图(c)所示，此时橡皮筋的长度为___________ cm；(5)由上述数据计算得冰墩墩玩具的质量为_________ g(计算结果保留3位有效数字)。
[解析](3)根据表格标点连线如图(4)由图可知刻度尺的最小分度值为1 mm，故读数l＝15.35 cm；(5)设橡皮筋的劲度系数为k，原长为x0，则n1mg＝k(x1－x0)，n2mg＝k(x2－x0)，
4．(2023·山西模拟预测)某同学利用如图甲所示的装置测量轻弹簧的劲度系数。其中支架带有游标卡尺和主尺，游标卡尺(带固定的指针)，主尺通过支架固定。一轻质弹簧穿在细杆上，左端固定，右端与细绳连接，且细绳跨过光滑定滑轮，其下端可以悬挂若干质量均为50 g的砝码。弹簧右端连有一竖直指针，所在位置可通过主尺读出。实验步骤如下：
(1)在绳下端悬挂一个砝码，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，调整游标卡尺，使指针与弹簧右端指针对齐。游标卡尺读数如图乙所示，为____________ mm。(2)逐次增加砝码个数，并重复步骤(1)(保持弹簧在弹性限度内)。(3)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。
(4)根据上表的实验数据在图中补齐数据点并作出弹簧弹力F－L图像，得弹簧的劲度系数k＝_______ N/m。(结果保留两位有效数字)
[解析](1)游标卡尺主尺读数为63 mm，游标尺读数为7×0.1 mm＝0.7 mm，则游标卡尺读数为63.7 mm。(4)根据表格数据，绘图如下
5．(2023·福建漳州高三模拟)某同学在用如图甲所示的装置测量某根弹簧的劲度系数，弹簧下端固定在地面上，上端固定一个轻质薄板A，然后再在轻质薄板上面放不同物体，待物体静止时，测量弹簧长度L，记录物体的重力及弹簧长度。
(1)该实验操作需要测量弹簧的初始长度L0，下列测量方法正确的是___(填正确答案标号)；A．将弹簧水平放置，测量其初始长度L0B．将弹簧竖直放置，测量其初始长度L0(2)在操作正确的条件下，根据实测数据，作出了物体重力G与弹簧长度L的关系图像，如图乙所示。则弹簧的初始长度L0＝____________ cm；弹簧的劲度系数k＝_________ N/m。