实验:探究弹簧弹力与形变量的关系 学案(含答案)
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1、实验实验:探究弹簧弹力与形变量的关系探究弹簧弹力与形变量的关系 学科素养与目标要求 科学探究:1.探究弹簧弹力与形变量之间的关系.2.学会利用列表法、图像法、函数法处理实 验数据.3.能根据 Fx 图像求出弹簧的劲度系数 一、实验器材 弹簧、刻度尺、钩码、铁架台、铅笔、坐标纸 二、实验原理 1弹簧弹力 F 的确定:弹簧下端悬挂钩码,静止的钩码处于平衡状态,弹力大小与所挂钩 码的重力大小相等,即 Fmg. 2弹簧的伸长量 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 簧的伸长量 xll0. 3图像法处理实验数据:作出弹簧弹力 F 与形变量 x 的关系图像,根据图像
2、可以分析弹簧 弹力和形变量的关系 三、实验步骤 1将弹簧的上端固定在铁架台的横杆上,用刻度尺测出弹簧自然下垂时的长度 l0,即原长 2如图 1 所示,在弹簧下端悬挂质量为 m1的钩码,测出此时弹簧的长度 l1,记录 m1和 l1. 图 1 3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计算出每次弹簧的形变量 x(xll0)和弹簧受到的拉力 F(Fmg),并将数据填入表格. 次数 1 2 3 4 5 6 7 F/N 0 l/cm x/cm 0 四、数据处理 1建立直角坐标系,以弹簧的弹力 F 为纵轴、以弹簧形变量 x 为横轴,
3、根据测量数据在坐 标纸上描点,作出 Fx 图像,如图 2 所示 图 2 2以弹簧的伸长量为自变量,写出图像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得出弹簧弹力和形变量之间的定量关系,解释函数表达式中常数的物理意义 五、注意事项 1尽量选轻质弹簧以减小弹簧自身重力带来的影响 2实验中弹簧下端挂的钩码不要太多,避免超出弹簧的弹性限度 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 4记录数据时要注意弹力及形变
4、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 一、实验原理及操作 以下是某同学所进行的“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验步骤: (1)将一个弹簧的上端固定在铁架台的横杆上,竖直悬挂起来,在弹簧下端挂一个钩码,记下 钩码的质量 m1,此时弹簧平衡,弹力大小为 F1m1g,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 为纵轴, 以弹簧长度 lx为横轴, 建立直角坐标系, 根据所测的数据在坐标纸上描点 (4)按坐标纸上
5、所描各点的分布与走向,作出一条平滑的曲线(或直线) (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 见解析 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,用刻度尺测出弹簧长度即弹簧的原长为 l0; (3)中建立坐标系时应该以弹簧的形变量为横轴,因为探究的是弹簧弹力与形变量的关系; (5)中应分析弹簧弹力与形变量的关系 二、实验数据的处理及误差分析 (2019 北京人大附中期中)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 3 甲所
6、示的实验装置,将待测弹簧的一端固定在铁架台上,然后将毫米刻度尺设置在 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 10 g实验数据见下表(g 取 10 N/kg) 图 3 钩码质量 m/g 0 10 20 30 40 50 弹簧总长度 l/cm 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 弹力大小 F/N 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 (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
7、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_ Aa 的原长比 b 的短 Ba 的劲度系数比 b 的小 Ca 的劲度系数比 b 的大 D测得的弹力与弹簧的长度成正比 答案 (1)ABC (2)见解析图 20 (3)AC
8、解析 (2)根据表中数据描点连线,就能得到 Fl 图像,如图所示,图线的斜率大小表示弹 簧的劲度系数,解得 k20 N/m. (3)在 Fl 图像中,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 正确;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 错误,C 正确;弹簧的 弹力与弹簧的形变量成正比,故 D 错误 三、创新实验 在“探究弹簧弹力与形变量的关系, 并测定弹簧的劲度系数”的实验中, 实验装置如 图 4 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
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