(新高考)高考物理一轮复习课时练习第2章实验二《探究弹簧弹力与形变量的关系》(含解析)

这是一份(新高考)高考物理一轮复习课时练习第2章实验二《探究弹簧弹力与形变量的关系》(含解析)，共8页。试卷主要包含了实验原理，实验器材，实验步骤，39，30，00，19，40等内容，欢迎下载使用。


1.实验原理
弹簧受到拉力作用会伸长，平衡时弹簧的弹力和外力大小相等；弹簧的伸长量越大，弹力也就越大。
2.实验器材
铁架台、弹簧、钩码、刻度尺、坐标纸。
3.实验步骤
(1)安装实验器材(如图1所示)。
图1
(2)测量弹簧的伸长量(或总长)及所受的拉力(或所挂钩码的质量)，列表作出记录，要尽可能多测几组数据。
(3)根据所测数据在坐标纸上描点，以力为纵坐标，以弹簧的伸长量为横坐标。
(4)按照在图中所绘点的分布与走向，尝试作出一条平滑的曲线(包括直线)，所画的点不一定正好在这条曲线上，但要注意使曲线两侧的点数大致相同。
(5)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，如果不行再考虑二次函数。
1.数据处理
(1)列表法
将测得的F、x填入设计好的表格中，可以发现弹力F与弹簧伸长量x的比值在误差允许范围内是相等的。
(2)图像法
以弹簧伸长量x为横坐标，弹力F为纵坐标，描出F、x各组数据相应的点，作出的拟合曲线是一条过坐标原点的直线。
(3)函数法
弹力F与弹簧伸长量x满足F＝kx的关系。
2.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，以免弹簧被过度拉伸，超过弹簧的弹性限度。
(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：本实验是探究性实验，实验前并不知道其规律，所以描点以后所作的曲线是试探性的，只是在分析了点的分布和走向以后才决定用直线来连接这些点。
(4)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。
3.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。
命题点一 教材原型实验
1.列表分析法：分析列表中弹簧弹力F与对应弹簧的形变量Δx的关系，可以先考虑F和Δx的乘积，再考虑F和Δx的比值，也可以考虑F和(Δx)2的关系或F和eq \r(Δx)的关系等，结论：eq \f(F,Δx)为常数。
2.图像分析法：
图2
作出F－Δx图像，如图2所示。此图像是过坐标原点的一条直线，即F和Δx成正比关系。
作图的规则：
(1)要在坐标轴上标明轴名、单位，恰当地选取纵轴、横轴的标度，并根据数据特点正确确定坐标起点，使所作出的图像尽可能占满整个坐标图纸。若弹簧原长较长，则横坐标的起点可以不从零开始。
(2)作图线时，尽可能使直线通过较多的点，不在直线上的点也要尽可能均匀分布在直线的两侧(若有个别点偏离太远，则是因偶然误差太大所致，应舍去)。
(3)要注意坐标轴代表的物理量的意义，注意分析图像的斜率、截距的意义。
【例1】 (2020·北京市密云区下学期第一次测试)某实验小组同学，用铁架台、弹簧和多个质量均为m＝50 g的钩码，探究在弹性限度内弹簧弹力与弹簧伸长量的关系，如图3甲所示。
图3
(1)该组同学在做该实验时，依次在弹簧下端挂上钩码，并在表格内分别记下钩码静止时弹簧下端指针所对应的刻度，记录数据如下：
当挂2个钩码时，指针对应刻度如图甲所示，将指针示数填入表格；在以弹簧弹力为纵轴、指针对应刻度L为横轴的坐标系中，如图乙所示，描点画出第2组对应的数据点，并连线得到F－L 图像。请根据图像分析并得出以下结论
①弹簧原长为__________ cm；
②弹簧的劲度系数k＝__________ (保留2位有效数字)。
(2)弹簧与绳有一点相似之处，都可以认为是一个传递力的媒介。某位同学根据这个观点推广认为：将两个同样的弹簧串接在一起后，弹簧的劲度系数k与原来一样。你认为他的想法正确吗？______________。并解释一下你的理由____________________________________________________________________。
答案 (1)13.70 见解析图 ①11.40 ②0.42 N/cm
(2)不正确 两个劲度系数相同的弹簧串联后，施加外力后，与单独一个弹簧相比弹簧的等效伸长量变为原来的2倍，所以劲度系数发生改变
解析 (1)刻度尺的读数为13.70 cm
描点并作图：
①弹力为0时，弹簧原长为11.40 cm。
②根据胡克定律F＝kx可知，图像斜率的物理意义为弹簧的劲度系数
k＝eq \f(2.80,18.00－11.40) N/cm＝0.42 N/cm。
(2)不正确。两个劲度系数相同的弹簧串联后，施加外力后，与单独一个弹簧相比弹簧的等效伸长量变为原来的2倍，所以劲度系数发生改变。
【变式1】 [2020天津市等级考模拟(一)]一个实验小组在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中
图4
(1)甲同学在做该实验时，通过处理数据得到了图4甲所示的F－x图像，其中F为弹簧弹力，x为弹簧长度。请通过图4甲，分析并计算，该弹簧的原长x0＝______ cm，弹簧的弹性系数k＝__________ N/m。该同学将该弹簧制成一把弹簧秤，当弹簧秤的示数如图乙所示时，该弹簧的长度x＝__________ cm。
(2)乙同学使用两条不同的轻质弹簧a和b，得到弹力与弹簧长度的图像如图4丙所示。下列表述正确的是______。
A.a的原长比b的长
B.a的劲度系数比b的大
C.a的劲度系数比b的小
D.测得的弹力与弹簧的长度成正比
答案 (1)8 25 20 (2)B
解析 (1)当弹力为零时，弹簧处于原长状态，故原长为x0＝8 cm，在F－x图像中斜率代表弹簧的劲度系数，则k＝eq \f(ΔF,Δx)＝eq \f(6,0.24) N/m＝25 N/m，在乙图中弹簧秤的示数F＝3.00 N，根据F＝kx，可知x＝eq \f(F,k)＝eq \f(3,25) m＝0.12 m＝12 cm，故此时弹簧的长度L＝x＋x0＝20 cm。
(2)在丙图中，当弹簧的弹力为零时，弹簧处于原长，故b的原长大于a的原长，故A错误；斜率代表劲度系数，故a的劲度系数大于b的劲度系数，故B正确，C错误；弹簧的弹力与弹簧的形变量成正比，故D错误。
命题点二 创新实验——器材与方法的创新
本实验一般是在教材实验原理的基础上设计新情景进行考查，因此，要在教材实验的基础上注重迁移创新能力的培养，善于用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题。
【例2】 (2020·百师联盟山东模拟)如图5为一同学利用压力传感器探究弹力与弹簧伸长量关系的装置示意图，水平放置的压力传感器上叠放着连接轻弹簧的重物，左侧固定有竖直刻度尺。静止时弹簧上端的指针指示如图所示，表格中记录此时压力传感器的示数为6.00 N；竖直向上缓慢地拉动弹簧，分别记录指针示数和对应的传感器示数如表中所示。
图5
(1)补充完整表格中直尺的读数__________；
(2)在以传感器示数FN为纵轴、指针示数x为横轴的坐标系中，描点画出FN－x图像，并根据图像求得弹簧的劲度系数为____________ N/m(结果保留3位有效数字)。
答案 (1)12.20 (2)见解析图 83.3(82.0～83.8都算正确)
解析 (1)直尺的最小刻度为1 mm，根据直尺的读数规则可知，估读到最小刻度的下一位，故读数为12.20 cm。
(2)根据表格数据做出图像，如图所示
由题意可知FN＋F＝mg，则FN＝mg－kΔx，即FN＝mg－k(x－x0)，得图像的斜率绝对值为弹簧的劲度系数，由图像可知k＝eq \f(ΔFN,Δx)
＝eq \f(6,0.194 0－0.122 0) N/m＝83.3 N/m。
【变式2】 (2020·广东广州市下学期一模)某同学用图6甲所示装置探究弹力和弹簧伸长的关系。弹簧的上端固定在铁架台支架上，弹簧的下端固定一水平纸片(弹簧和纸片重力均忽略不计)，激光测距仪可测量地面至水平纸片的竖直距离h。
甲
乙
图6
(1)该同学在弹簧下端逐一增挂钩码，每增挂一个钩码，待弹簧__________时，记录所挂钩码的重力和对应的h；
(2)根据实验记录数据作出h随弹簧弹力F变化的图线如图乙所示，可得未挂钩码时水平纸片到地面的竖直距离h0＝__________cm，弹簧的劲度系数k＝________ N/m(结果都保留到小数点后1位)。
答案 (1) 静止 (2) 120.0 31.3
解析 (1)该同学在弹簧下端逐一增挂钩码，每增挂一个钩码，待弹簧静止时，此时弹力与重力大小相等，记录所挂钩码的重力和对应的h。
(2)由图可知，当F＝0时h0＝120.0 cm，即为未挂钩码时水平纸片到地面的竖直距离。由胡克定律可得ΔF＝kΔh，即图像斜率绝对值的倒数表示弹簧劲度系数，则有
k＝eq \f(3.13,（120.0－110.0）×10－2) N/m＝31.3 N/m钩码个数
1
2
3
4
5
弹力F/N
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
指针对应刻度/cm
12.51
15.39
16.11
17.30
装置时代化
求解智能化
1.弹力的获得：弹簧竖直悬挂，重物的重力作为弹簧的拉力，存在弹簧自重的影响→弹簧水平使用，重物的重力作为弹簧的拉力，消除了弹簧自重的影响
2.图像的获得：由坐标纸作图得F－x图像→由传感器和计算机输入数据直接得F－x图像
传感器示数FN(N)
6.00
4.00
3.00
1.00
0
指针示数x(cm)
14.60
15.81
18.19
19.40