新教材适用2023_2024学年高中物理第3章相互作用__力实验：探究弹簧弹力与形变量的关系课件新人教版必修第一册

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第三章　相互作用——力实验：探究弹簧弹力与形变量的关系目标体系构建1．进一步练习使用弹簧测力计。2．制定科学探究方案，会使用弹簧测力计获取数据。3．能根据数据探究出弹簧弹力与形变量的定量关系。课前预习反馈 1．实验原理(1)弹簧受力会发生形变，形变的大小与受到的外力有关。沿着弹簧的方向拉弹簧，当形变稳定时，弹簧的弹力与使它发生形变的拉力在数值上是相等的。用悬挂法测量弹簧的弹力，利用的是弹簧静止时弹簧的弹力与挂在弹簧下面的钩码的重力大小相等。(2)弹簧的长度可用刻度尺直接测出，伸长量可由弹簧拉长后的长度减去弹簧的原长来计算。(3)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，就可探究弹力大小与伸长量间的关系。2．实验器材轻弹簧、钩码(一盒)、刻度尺、铁架台、三角板、重垂线、坐标纸。3．实验步骤(1)按图安装实验装置，记下弹簧下端不挂钩码时所对应的刻度l0。(2)在弹簧下悬挂一个钩码，平衡时记下弹簧的总长度并记下钩码的重力。(3)增加钩码的个数，重复上述实验过程，将数据填入表格，以F表示弹力，l表示弹簧的总长度，x＝l－l0表示弹簧的伸长量。4．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，得出弹力F随弹簧伸长量x变化的图线。5．注意事项(1)所挂钩码不要过重，以免弹簧被过分拉伸，超出它的弹性限度。(2)每次所挂钩码的质量差尽量大一些，从而使坐标上描的点尽可能稀一些，这样作出的图线更精确。(3)测弹簧长度时，一定要在弹簧竖直悬挂且处于平衡状态时测量，刻度尺要保持竖直并靠近弹簧，以免增大误差。(4)描点画线时，所描的点不一定都落在一条曲线上，但应注意一定要使各点均匀分布在曲线的两侧。(5)记录数据时要注意弹力与弹簧伸长量的对应关系及单位。课内互动探究探究教材原型实验典例剖析 (2023·山东临沂高一校考期末)某同学利用如图(a)装置做“探究弹簧弹力大小与其长度的关系”实验。(1)实验中，以下说法正确的是______；A．实验前，应该先把弹簧水平放置测量其原长B．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C．用直尺测得的弹簧的长度即为弹簧的伸长量D．用几个不同的弹簧，分别测出几组拉力与伸长量，得出拉力与弹簧的伸长量之比相等B(2)他通过实验得到如图(b)所示的弹力大小F与弹簧长度x的关系图线，由此图线可得该弹簧的原长x0＝______cm，劲度系数k＝________ N/m。450解析：(1)因为弹簧自身有重量，所以在竖直悬挂钩码时，弹力大小是弹簧自重与钩码重量之和，实际测量的是弹力增加量(相比原长)与弹簧伸长量的关系。所以实验前，应该将弹簧竖直悬挂测量其原长，故A错误；用悬挂砝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，这样才能求出形变后的弹力，故B正确；弹簧的伸长量为实际长度减去原长，而不是弹簧总长度，故C错误；用几个不同的弹簧，分别测出几组拉力与伸长量，得出拉力与伸长量之比为弹簧劲度系数，因为弹簧不同，所以不相等，故D错误。(2)由胡克定律有F＝k(x－x0)可知，F－x图像与x轴的交点为原长，斜率为弹簧的劲度系数，由图(b)可得，原长为x0＝4 cm (2023·北京顺义高一统考期末)如图所示，把弹簧上端固定在铁架台的横杆上，弹簧的右侧固定一刻度尺。观察弹簧自由下垂时下端所在刻度的位置。然后在弹簧下端悬挂不同质量的钩码，设计实验记录表格，记录弹簧在不同拉力作用下的长度。弹簧的弹力等于钩码的重力。以弹簧受到的弹力F为纵轴、弹簧的长度x为横轴建立直角坐标系。(1)测得弹力F与弹簧长度x的关系如图所示，图中x0表示______。A．弹簧的劲度系数 B．弹簧的自然长度C．弹簧的伸长量 D．弹簧的压缩量B(2)实验中，使用两条不同的轻质弹簧a和b，得到的弹簧弹力—弹簧长度的图像如图所示。下列表述正确的是______。A．弹簧a的自然长度比弹簧b的大B．弹簧a的劲度系数比弹簧b的大C．弹簧a的劲度系数比弹簧b的小D．弹簧的弹力与弹簧的长度成正比解析：(1)利用图像和胡克定律可知F＝k(x－x0)图中x0表示弹簧的自然长度。故选B。B(2)根据胡克定律F＝k(x－x0)在F－x 图像中，图像与横轴的交点等于弹簧的自然长度，斜率表示弹簧的劲度系数，可知弹簧a的自然长度比弹簧b的小；弹簧a的劲度系数比弹簧b的大，A、C错误，B正确；根据胡克定律可知，弹簧的弹力与弹簧的伸缩量成正比，D错误。探究实验拓展创新典例剖析 (2023·江苏南通统考期末)在“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验中，某实验小组利用智能手机中自带的定位传感器设计了如图所示的实验，手机软件中的“定位”功能可以测量手机竖直方向的位移。(1)实验小组进行了如下主要的实验步骤，正确的顺序是__________A．按图安装实验器材，弹簧分别与手机和上螺栓连接，手机重心和弹簧在同一竖直线；B．重复上述操作；C．手掌托着手机缓慢下移，当手机与手分离时，打开手机中的位移传感器软件；D．根据钩码数量及对应手机下降高度的数值画n－x图像；E．在手机下方悬挂等重钩码，缓慢释放，当钩码平衡时记录下手机下降的高度x。ACEBD(2)根据表格中的数据，在坐标图中描点作出钩码数量与手机位移n－x图像__________；见解析(3)根据图像可得出弹簧弹力与弹簧伸长量的关系是______________ ___________________________；(4)已知每个钩码的质量为5.0 g，重力加速度g＝10 m/s2，由图像可以求得弹簧的劲度系数为__________N/m。(结果保留两位有效数字)(5)实验中未考虑弹簧自身受到的重力，这对弹簧劲度系数的测量结果______(选填“有”或“无”)影响，说明理由_____________________ ____________________。在弹性限度内，弹簧的弹力与伸长量成正比9.8～10.2无劲度系数是通过图像解析：(1)“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验步骤为：将弹簧竖直悬挂在装置上，在弹簧下端悬挂等重钩码，并记录弹簧伸长的长度，逐一添加钩码，重复实验，最后处理实验数据。本次实验中利用手机软件测量弹簧伸长的长度，故正确的实验步骤为ACEBD。(2)以x为横坐标，n为纵坐标，在坐标纸中描点画线，让多数的点分布在直线上，其余点均匀分布直线两侧，偏差太多的点舍弃，所得图像如下图(3)由图像为一过原点的直线可知，钩码数量与弹簧伸长长度成正比。又因为钩码为等重钩码，弹簧弹力等于钩码总重量，故在弹性限度内，弹簧的弹力与伸长量成正比。 (2023·安徽合肥高一考试)有一内壁光滑的细圆筒竖直倒置，筒内底部固定一轻质弹簧，弹簧下端套有一细绳套，弹簧的原长小于筒的深度。小聪同学想测量弹簧的劲度系数和弹簧的原长。他进行了如下操作：①将圆筒倒置挂于天花板上，测出圆筒的长度为20.00 cm；②用弹簧测力计钩住细绳套，将弹簧向下拉。当弹簧露出筒外的长度l1＝3.00 cm时，其弹簧秤示数如图；③改变拉力，当弹簧露出筒外的长度l2＝7.00 cm时，弹簧秤的读数为40.0 N。设整个实验过程中弹簧都在弹性限度内，不计一切摩擦。(1)第②步中弹簧秤读数为__________N；(2)弹簧的劲度系数k＝________N/m；(3)弹簧的原长为____________cm。20.050019.00课堂达标检测一、教材原型实验1．(2023·广东深圳高一统考期末)用铁架台、下端带挂钩的不同弹簧若干、50 g的钩码若干、刻度尺等，安装如图甲所示的装置，探究弹簧弹力F的大小与伸长量x之间的定量关系。(1)未挂钩码时，弹簧原长放大如图甲所示，可读得原长L0＝______ cm。(2)在弹簧挂钩上挂上一个钩码，待稳定后要测量此时的伸长量，必须先___________________，再_______。(3)取A、B弹簧分别做实验，把得到的数据描绘成如图乙的F－x图像，由此得到的结论是：________________________________________ ______________。(4)由图乙还可知劲度系数较大的是_____弹簧；还可算出B弹簧的劲度系数为_______N/m。7.00等弹簧和钩码静止 测量由图可知，随着弹簧伸长量的增加，弹簧弹力的大小增大A10解析：(1)图中刻度尺的分度值为1 mm，要估读到分度值的下一位，已知刻度尺的零刻度线与弹簧上端平齐，弹簧长度为L0＝7.00 cm。(2)在弹簧挂钩上挂上一个钩码，待稳定后要测量此时的伸长量，必须先等弹簧和钩码静止后再测量。(3)由图可知，随着弹簧伸长量的增加，弹簧弹力的大小增大。二、实验拓展创新2．(2023·山东济南高一期末)在“探究弹力和弹簧伸长量的关系，并测量弹簧的劲度系数”的实验中，实验装置如图甲所示，所用的每个钩码的重力相当于对弹簧提供了向右恒定的拉力，实验时先测出不挂钩码时弹簧的自然长度，再将5个钩码逐个挂在绳子的下端，每次测量相应的弹簧的总长度，某同学通过实验测量后把6组实验数据的点描在坐标系图乙中，作出F－l图线。(1)由此图线可得出弹簧的原长l0＝_____cm，劲度系数k＝________ N/m。(2)该同学实验时把弹簧水平放置的优点在于____________________ _______________________________。520弹簧水平放置，可以消除弹簧自身重力对实验的影响