高中物理必修一 第三章　1　第2课时　实验：探究弹簧弹力与形变量的关系　胡克定律学案学案

第2课时　实验：探究弹簧弹力与形变量的关系　胡克定律[学习目标]　1.学会探究弹簧弹力与形变量之间的关系。2.会利用列表法、图像法、函数法处理实验数据(重难点)。3.理解胡克定律，会应用胡克定律解决实际问题，能根据F－x图像求出弹簧的劲度系数(重点)。一、实验：探究弹簧弹力与形变量的关系1．实验思路(1)弹簧弹力F的确定：在弹簧下端悬挂钩码，静止的钩码所受弹力大小与所挂钩码的重力大小________，即F＝________。(2)弹簧伸长的长度x的确定：弹簧的原长l0与挂上钩码后弹簧的长度l可以用刻度尺测出，弹簧的伸长的长度x＝________。2．实验器材铁夹、弹簧、________________、钩码、铁架台、铅笔、坐标纸。3．实验步骤(1)如图所示，将弹簧的上端固定在铁架台的横杆上，用刻度尺测出弹簧________________时的长度l0，即_________________。(2)在弹簧下悬挂一个钩码，平衡时记下弹簧的总长度l1和钩码的质量m1。(3)增加钩码的个数，测出对应的弹簧长度，记录m2、m3、m4、m5…和相应的弹簧长度l2、l3、l4、l5…。4．数据分析(1)数据记录计算出每次弹簧伸长的长度x(x＝________________)和弹簧受到的拉力F(F＝mng)，并将数据填入表格。弹簧的原长l0＝________cm。 钩码质量m/g弹簧的弹力F/N弹簧长度l/cm弹簧伸长的长度x/cm(N/m)123456(2)数据处理①建立如图所示的直角坐标系，以弹簧的弹力F为纵轴、以弹簧伸长的长度x为横轴，选择合适的单位长度，根据测量数据在坐标纸上描点。②按照图中所绘点的分布，作出一条直线，所画点不一定正好在这条直线上，但要注意使直线两侧的点数大致相同，得到F－x图像。③以弹簧伸长的长度为自变量，写出图像所代表的函数________。④得出弹簧弹力和伸长的长度之间的定量关系。(3)实验结论在弹性限度内，弹簧发生弹性形变时，________________________________。5．误差分析(1)本实验误差的主要来源为读数和作图时的偶然误差，为了减小误差，要尽量多测几组数据。(2)弹簧竖直悬挂时，未考虑弹簧自身重力的影响会带来系统误差。为了减小该系统误差，实验中应使用轻质弹簧。6．注意事项(1)尽量选轻质弹簧以减小弹簧________________带来的影响。(2)实验中弹簧下端挂的钩码不要太多，避免________________________________。(3)测量长度时，应区别弹簧原长l0、实际长度l及形变量x三者之间的不同，明确三者之间的关系。为了减小弹簧自身重力带来的影响，测弹簧原长时应让弹簧在________________时保持自由下垂状态，而不是平放在水平面上处于自然伸长状态。 (4)记录数据时要注意弹簧的弹力及形变量的对应关系及单位。(5)描点作图时，应使尽量多的点落在画出的线上，可允许少数点均匀分布于线两侧，偏离太大的点应舍去，描出的线不应是折线，而应是平滑的曲线或直线。例1　某同学在竖直悬挂的弹簧下加挂钩码，做实验研究弹簧弹力与伸长量的关系。他将实验数据记录在表格中。g取10N/kg。钩码质量m/g0306090120150弹簧总长度l/cm6.07.28.39.510.611.8(1)根据实验数据在坐标纸上作出弹簧弹力F与伸长量x关系的F－x图像。(2)由F－x图像写出F－x函数表达式：______________。二、胡克定律1．弹性限度：如果形变过大，超过一定的限度，撤去作用力后物体________(填“能”或“不能”)完全恢复原来的形状，这个限度叫作弹性限度。2．胡克定律(1)内容：在弹性限度内，弹簧发生弹性形变时，弹力F的大小跟____________________成正比，即F＝________。(2)理解：式中的x是指弹簧的________，不是弹簧的长度；k叫作弹簧的________________，单位是________________，符号是_______________________________________________。劲度系数是表示弹簧“软”“硬”程度的物理量。只与________________有关，由弹簧本身的材料、长度、粗细、匝数等因素决定，与弹力F的大小和形变量x无关。例2　(多选)关于胡克定律，下列说法正确的是(　　)A．由F＝kx可知，在弹性限度内弹力F的大小与弹簧形变量x的大小成正比B．由k＝可知，劲度系数k与弹力F成正比，与弹簧的形变量x成反比C．弹簧的劲度系数k是由弹簧本身的性质决定的，与弹力F的大小和弹簧形变量x 的大小无关D．弹簧的劲度系数在数值上等于弹簧伸长(或缩短)单位长度时弹力的数值例3　如图所示为一轻质弹簧的长度L和弹力F的关系图像，试由图像确定(1)弹簧的原长。(2)弹簧的劲度系数。(3)弹簧伸长15cm时，(在弹性限度内)弹力的大小。________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________例4　某同学做“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验时，设计了如图甲所示的实验装置，将待测弹簧的一端固定在铁架台上，然后将毫米刻度尺固定在弹簧一侧，并使弹簧另一端的指针恰好落在刻度尺上。他先测出不挂钩码时弹簧的自然下垂长度，然后在弹簧下端依次挂1、2、3、4、5个钩码，测出弹簧相应的总长度。每只钩码的质量都是10g。实验数据见下表。(g取10N/kg)钩码质量m/g01020304050弹簧总长度l/cm3.003.504.004.505.005.50弹力大小F/N00.10.20.30.40.5 (1)关于本实验，下列说法正确的是________________________________________。A．悬挂钩码时，应在钩码静止后再读数B．应在弹簧的弹性限度范围内进行测量C．在安装刻度尺时，必须使刻度尺保持竖直状态D．在测量弹簧原长时，应将弹簧平放在水平桌面上，使其自然伸长，并测出其长度(2)根据上述实验数据，在图乙所示的坐标纸上，作出弹簧弹力大小F跟弹簧总长度l之间的关系图像，并求出该弹簧的劲度系数k＝________N/m。(3)一个实验小组在“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验中，使用两条不同的轻质弹簧a和b，得到弹簧弹力与弹簧长度的图像如图丙所示。下列表述正确的是________。A．a的原长比b的短B．a的劲度系数比b的小C．a的劲度系数比b的大D．测得的弹簧弹力与弹簧的长度成正比例5　用如图甲所示的装置来探究胡克定律。轻质弹簧的左端与固定在墙上的拉力传感器连接，右端在水平拉力F的作用下从原长开始沿水平方向缓慢伸长，弹簧与水平面不接触，通过刻度尺可以读出弹簧的伸长量x，通过拉力传感器可以读出拉力F，多次测量F、x，作出F－x图像如图乙所示，回答下列问题：(1)当弹力增大到一定程度时，图像变弯曲，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________；(2)弹簧的劲度系数为________；(3)弹簧的伸长量分别为x2和x1时，拉力传感器的示数之差为________。