2022-2023年高考物理一轮复习 实验：探究弹力与弹簧伸长量的关系

第三章实验：探究弹力与弹簧伸长量的关系\n弹簧、、钩码、铁架台．一、实验器材刻度尺\n二、实验原理1.如图1甲所示,在弹簧下端悬挂钩码时弹簧会伸长,平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码受到的重力.弹簧的原长与挂上钩码后弹簧的长度可以用测出,其伸长量x可以用弹簧的长度减去弹簧的来求得.图1大小相等刻度尺原长\n2.建立直角坐标系,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,用连接起来,根据实验所得的图象,就可探究弹力大小与弹簧伸长量之间的关系.平滑曲线\n三、实验步骤1.将弹簧的一端挂在铁架台上,让其自然下垂,用刻度尺测出弹簧状态时的长度l0,即原长.2.如图2所示,在弹簧下端挂质量为m1的钩码,测出此时弹簧的长度l1,记录m1和l1.图2自然伸长\n3.改变所挂钩码的质量,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.计算出每次弹簧的伸长量x(x＝)和弹簧受到的拉力F(F＝mg),并将数据填入表格.1234567F/N0l/cmx/cm0l－l0\n四、数据处理1.建立直角坐标系,以F为纵轴,x为横轴,根据测量数据用描点法作图.连接各点得出F随弹簧伸长量x变化的图线.2.以弹簧的伸长量为自变量,写出图线所代表的函数.首先尝试一次函数,如果不行则考虑二次函数.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.\n五、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,实验中应使用弹簧.多轻质\n一、实验原理及操作例1以下是某同学所进行的“探究弹力与弹簧伸长量的关系”的实验步骤：(1)将一个弹簧的上端固定在铁架台上,竖直悬挂起来,在弹簧下挂一个钩码,记下钩码的质量m1,此时弹簧平衡,弹力大小为F1＝m1g,并用刻度尺测量出此时弹簧的长度l1,并记录到表格中.(2)再增加钩码,重复上述的操作,逐渐增加钩码的重力,得到多组数据.(3)以力F为纵坐标,以弹簧长度lx为横坐标,根据所测的数据在坐标纸上描点.(4)按坐标纸上所描各点的分布与走向,作出一条平滑的曲线(包括直线).(5)根据图线的特点,分析弹簧的弹力F与弹簧长度lx的关系,并得出实验结论.以上步骤中至少有三个不当之处,请将不合理的地方找出来并进行修正.答案解析答案见解析\n解析(1)中还应该测出弹簧的原长l0,此时应在不挂钩码的情况下,让弹簧保持自然下垂状态,用刻度尺测出从悬点到弹簧下端的长度即为l0；(3)中建立坐标系时应该以弹簧的形变量为横坐标,因为探究的是弹力与弹簧伸长量的关系；(5)中应分析弹力与弹簧伸长量的关系.\n1.实验中弹簧下端挂的钩码不要太多,以免超出弹簧的弹性限度.2.测量长度时,应区别弹簧原长l0、实际长度l及伸长量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不挂钩码时保持自然下垂状态,而不是平放在水平面上处于自然伸长状态.3.记录数据时要注意弹力及伸长量的对应关系及单位.4.描点作图时,应使尽量多的点落在画出的线上,可允许少数点分布于线两侧,描出的线不应是折线,而应是平滑的曲线或直线.5.尽量选轻质弹簧以减小弹簧自身重力带来的影响.\n二、实验数据的处理及误差分析例2某同学探究弹力与弹簧伸长量的关系.(1)将弹簧悬挂在铁架台上,将刻度尺固定在弹簧一侧.弹簧轴线和刻度尺都应在_____方向(填“水平”或“竖直”).答案解析为保证弹簧的形变只由砝码和砝码盘的重力产生,弹簧轴线和刻度尺均应在竖直方向.竖直解析\n(2)弹簧自然悬挂,待弹簧______时,长度记为L0；弹簧下端挂上砝码盘时,长度记为Lx；在砝码盘中每次增加10g砝码,弹簧长度依次记为L1至L6.数据如下表.答案代表符号L0LxL1L2L3L4L5L6数值(cm)25.3527.3529.3531.3033.435.3537.4039.30表中有一个数值记录不规范,代表符号为_____.由表可知所用刻度尺的最小分度为______.稳定解析L31mm\n解析弹簧静止稳定时,记录原长L0；表中的数据L3与其他数据有效位数不同,所以数据L3不规范,标准数据应读至cm位的后两位,最后一位应为估读值,精确至0.1mm,所以刻度尺的最小分度为1mm.\n(3)图3是该同学根据表中数据作的图,纵轴是砝码的质量,横轴是弹簧长度与_____的差值(填“L0”或“Lx”).答案解析图3解析由题图知所挂砝码质量为0时,x为0,所以x＝L－Lx(L为弹簧长度).Lx\n(4)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g取9.8N/kg)答案解析4.910\n解析由胡克定律F＝kΔx知,mg＝k(L－Lx),即mg＝kx,所以图线斜率即为弹簧的劲度系数＝0.01kg＝10g.\n1.F-x图象应是过原点的直线,直线的斜率等于弹簧的劲度系数.2.F-l图象是不过原点的直线,其与横轴的截距等于弹簧的原长,斜率仍然等于弹簧的劲度系数.\n例3某同学做“探究弹力与弹簧伸长量的关系”的实验,他先把弹簧放在水平桌面上使其自然伸展,用直尺测出其长度L0,再把弹簧竖直悬挂起来,刻度尺的零刻度线跟弹簧上端对齐,在弹簧的下部A处固定一个指针.如图4所示.挂上钩码,平衡后测出其长度L,令x＝L－L0.改变钩码个数,进行多次测量.三、误差分析图4\n(1)用F表示弹簧下端受到的钩码的拉力,则如图所示的F-x图线,你认为符合实际情况的是√答案解析解析因为弹簧是被放在水平桌面上测得的原长,然后把弹簧竖直悬挂起来后,由于重力的作用,弹簧的长度会增大,所以图线应出现x轴上有截距,C正确,A、B、D错误.\n(2)如果将指针固定在A点的下方P处,在正确测出弹簧原长的情况下,再作出x随F变化的图象,此时弹簧劲度系数的测量值____实际值(填“大于”“小于”或“等于”).答案解析解析如果将指针固定在A点的下方P处,在正确测出弹簧原长的情况下,再作出x随F变化的图象,则在图象上x的变化量不变,得出弹簧的劲度系数与实际值相等.等于\n1.(实验器材及原理)(多选)在“探究弹力与弹簧伸长量的关系”实验中,以下说法正确的是A.弹簧被拉伸时,不能超出它的弹性限度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.用刻度尺测得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,得出拉力与伸长量之比相等√答案123√\n2.(实验过程及数据处理)一位同学在做“探究弹力与弹簧伸长量的关系”的实验.(1)下列的实验步骤是这位同学准备完成的,请你帮这位同学按操作的先后顺序,将这些步骤用字母排列出来是_________.A.以弹簧伸长量为横坐标,以弹力为纵坐标,描出各组数据(x,F)对应的点,并用平滑的曲线连接起来B.记下弹簧不挂钩码时,其下端在刻度尺上的刻度l0C.将铁架台固定于桌子上,并将弹簧的一端系于横梁上,在弹簧附近竖直固定一刻度尺D.依次在弹簧下端挂上1个、2个、3个、4个……钩码,并分别记下钩码静止时,弹簧下端所对应的刻度并记录在表格内,然后取下钩码E.以弹簧伸长量为自变量,写出弹力与弹簧伸长量的关系式F.解释函数表达式中常数的物理意义123答案解析CBDAEF\n解析在做实验的时候一般步骤为先组装器材,然后进行实验,最后数据处理,故顺序为CBDAEF.123\n(2)下表是这位同学所测的几组数据123答案解析弹力(F/N)0.51.01.52.02.5弹簧原来长度(L0/cm)1515151515弹簧后来长度(L/cm)16.217.318.519.620.8弹簧伸长量(x/cm)1.22.33.54.65.8①根据上表的数据在图5的坐标系中作出F－x图线.图5答案如图所示\n解析根据描点法,图象如图所示123\n②写出曲线的函数表达式________(x用cm作单位).③函数表达式中常数的物理意义：________________________________________________________________________.123答案解析F＝0.43x表示弹簧的劲度系数,即表示使弹簧伸长或者压缩1cm所需的外力大小为0.43N解析②、③根据图象,该直线为过原点的一条直线,即弹力与伸长量成正比,即F＝kx＝0.43x.式中的常数表示弹簧的劲度系数,即表示使弹簧伸长或者压缩1cm所需的外力大小为0.43N.\n3.(实验误差分析)在“探究弹力与弹簧伸长量的关系”实验中,根据数据作出F-Δx图象如图6实线所示,可能的原因是A.悬挂的钩码多,拉力超过了弹簧的弹性限度B.用直尺测量弹簧的长度时,读数小了C.有的数据不是弹簧的伸长,而是弹簧的长度D.所有数据都是用弹簧长度进行处理的123123√答案解析图6\n123123解析弯曲部分显示：当Δx达到某一值后,F与Δx不再成正比,前面数据成线性分布,说明不是读数问题,而是拉力超出了其弹性限度.