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1、第2课时 实验：探究弹簧弹力与形变量的关系学习目标要求核心素养和关键能力1. 探究弹簧弹力与形变量的关 系。2. 学会利用图像研究两个物理 量之间关系的方法。1. 科学探究能提出弹力与形变量关系的猜想假设，并设计 实验方案，定量探究弹力与形变量之间的关 系、验证假设。2. 关键能力实验探究能力。实验基础梳理篦读教材.恤理实驗原理和方法一、实验目的：探究弹簧弹力与形变量的关系二、实验原理：二力平衡三、实验器材铁架台、弹簧、毫米刻度尺、钩码若干、三角板、坐标纸、重垂线。四、实验步骤1. 如图所示,将铁架台放在桌面上（固定好）,将弹簧的一端固定于铁架台的横梁上。!:1 L2. 记下弹簧下端不挂钩码时
2、所对应的刻度b即弹簧的原长。3. 在弹簧下端挂上钩码，待钩码静止时测出弹簧的长度/,求出弹簧的伸长量X和 所受的外力F（等于所挂钩码的重力）。4. 改变所挂钩码的数量，重复上述实验，将所测数据填写在下列表格中，记录表：弹簧原长o=Cmo_拉力F/N弹簧总长/cm弹簧伸长/cm5做出弹力与形变量的图像五、数据处理1. 以力为纵坐标，以弹簧的伸长量为横坐标，根据所测数据在坐标纸上描点。2. 按照图中各点的分布与走向，作出一条平滑的图线。所画的点不一定正好都在 这条图线上，但要注意使图线两侧的点数大致相同。3. 以弹簧的伸长为自变量，写出图线所代表的函数表达式，并解释函数表达式中 常数的物理意义。六
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。典例探究分析探究科学探究之实验操作分析实验热点培齐探究能力L【例1】如图屮所示，用铁架台、弹簧和多个已知质量且质量相等的钩码探究在 弹性限度内弹簧弹力与弹簧伸长量的关系。为完成实验，还需要的实验器材有：O(2) 实验中需要测量的物理量有：o(3) 图乙是弹簧弹力F与弹簧伸长量X的F-X图线，由此可求出弹簧的劲度系数为N/nio图线不过原点的原因是由于n(4) 为完成该实验，设计的实验步骤如下:A. 以弹簧伸长量为横坐标，以弹力为纵坐标，描出各组(x,巧对应的点，并用平滑 的直线连接起来；B.
4、记下弹簧不挂钩码时其下端在刻度尺上的刻度/0;C. 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 把刻度尺；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，写出弹力与伸长量的关系式。首先尝试写成一次函数， 如果不行，则考虑二次函数：F. 解释函数表达式中常数的物理意义；G. 整理仪器。请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来： O解析(1)根据实验原理可知还需要用刻度尺来测量弹簧原长和形变量。(2) 根据实验原理，实验中需要测量的物理量有弹簧的原长、弹簧所受外力与对应
5、的伸长量(或与弹簧对应的长度)。(3) 取图像中(0.5, 0)和(3.5, 6)两个点，代入F=kx可得=200Nm,由于弹簧自 重的原因，使得弹簧不加外力时就有形变量。(4) 根据完成实验的合理性可知，先后顺序为CBDAEFGO答案(1)刻度尺(2)弹簧原长、弹簧所受外力与对应的伸长量(或与弹簧对应的 长度)(3)200 由于弹簧自重的原因，使得弹簧不加外力时就有形变量 (4)CBDAEFG针对训练1下列关于“探究弹簧弹力和伸长量的关系”实验的说法中正确的是 ()A. 实验中k的具体数值必须计算出来B. 如果没有测出弹簧原长，用弹簧长度Z代替X, F-L图线也是过原点的一条直 线C. 利用
6、F-X直线可求出E值D. 实验时要把所有点连到线上，才能得到真实规律解析 “探究弹力和弹簧伸长量的关系”实验中利用F-X图线可求出*值，但 不一定要求解出*值，实验中用弹簧长度厶代替X, F-L图线不是过原点的一条直线，作图时绝大多数点落在直线上，偏离较大的点舍去，C项正确。 答案C探究科学探究之实验设汁【例2】(1)某次研究弹簧所受弹力F与弹簧长度Z关系实验时，得到如图甲所 示的F-L图像，由图像可知：弹簧原长Zo=cm,求得弹簧的劲度系数k=N/nio(2) 按如图乙的方式挂上钩码(已知每个钩码重G=I N),使(1)中研究的弹簧压缩, 稳定后指针指示如图乙所示，则指针所指刻度尺示数为cm
7、。曲此可推测图乙中所挂钩码的个数为个。解析 由胡克定律F=KS 结合题图甲中数据得Z0 = 3.0cm=200Nmo 由题图乙知指针所指刻度为1.50 cm,由F=k(LoL),可求得此时弹力为F= 3N,故所挂钩码的个数为3个。答案(1)3.0 200 (2)1.50 3针对训练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”)。(2) 弹簧自然悬挂，待弹簧时，长度记为A)，弹簧下端挂上畦码盘时，长度记为LXo在祛码盘中每次增加IOgte码,弹簧长度依次记为Zl至厶，数据如下表：代表符号LOLyZlL
8、IL：U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O由表可知所用刻度尺的最小分度为O(3) 如图所示是该同学根据表中数据作的图，纵轴是舷码的质量，横轴是弹簧长度与的差值(填或ZY”)。(4) 由图可知弹簧的劲度系数为Nm,通过图和表可知舷码盘的质量为g(结果保留2位有效数字，重力加速度取g=9.8ms2)解析(1)实验器材应竖直放置。(2) 待弹簧静止时测量其长度。厶3数值与其他数值的有效数字不同，因此该数值记 录不规范。由表中数值保留到小数点后两位(0.01 cm),可知测量仪器应为毫米刻 度尺，最小分度为I
9、mm。(3) 横轴表示弹簧的形变量，因此应是弹簧长度与ZX的差值。因 n=kx.所以弹簧的劲度系数k=s=0.5 X 9.8 Nm=4.9 Nm,袪码盘，一匸，k (LX-Lo)的质量为加=1.0 10 - kg=10 go答案(1)竖直(2)静止Z31 nun (3)LX(4) 4.910探究科学探究之实验创新例3用如图所示的实验装置“研究弹簧的弹力与形变量之间的关系” o轻弹簧 上端固定一个力传感器，然后固定在铁架台上，当用手向下拉伸弹簧时，弹簧的 弹力可从传感器读出。用刻度尺可以测量弹簧原长和伸长后的长度，从而确定伸 长量。测量数据如表所示：伸长量x( 10 2 m)2.004.006.
10、008.0010.00弹力F/N1.502.934.555.987.50(1)以X为横坐标，F为纵坐标，在如图的坐标纸上描绘出能够正确反映弹力与伸长量关系的图线。(2)山图线求得该弹簧的劲度系数为o (结果保留2位有效数字) 解析 横轴表示伸长量独纵轴表示弹力F,按照表格数据，描点画图，得到一条 直线，图像斜率代表弹簧劲度系数。答案如图所示(2)75 N/m实验能力自测限时自测逐点突破1.(1)在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中，以下说法正确的是OA. 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. 用直尺测得弹簧的长度即为
11、弹簧的伸长量D. 用儿根不同的弹簧，分别测出儿组拉力与伸长量，得出拉力与伸长量之比相等(2)某同学做“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验，他先把弹簧平放在桌面上使 其自然伸长，用直尺测出弹簧的原长Zo,再把弹簧竖直悬挂起来，挂上钩码后测 出弹簧伸长后的长度Z，把L-LQ作为弹簧的伸长量X,这样操作，由于弹簧自身 重力的影响，最后画出的图线可能是。OWO誥OXOABCD解析(2)由于弹簧自身重力的影响，未挂钩码时，弹簧就伸长了一定长度，故只 有C正确。答案AB (2)C2某同学做“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验。甲乙(1)图屮是不挂钩码时弹簧下端指针所指的标尺刻度，其示数为7.73 cm；图乙
12、是在弹簧下端悬挂钩码后指针所指的标尺刻度,此时弹簧的伸长量/为(2)本实验通过在弹簧下端悬挂钩码的方法来改变弹簧的弹力，关于此操作，下列选项中规范的做法是O (填选项前的字母)A逐一增挂钩码，记下每增加一只钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重量B.随意增减钩码，记下增减钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重量(3)图丙是该同学描绘的弹簧的伸长量与弹力F的关系图线，图线的AB段明显偏离直线CU,造成这种现象的主要原因是 解析(1)由题图乙标尺刻度可知示数/2= 14.66cm,所以弹簧伸长量为=72- = 6.93 CmO(2) 为防止弹簧超出弹性限度，应逐渐增加钩码的重量，故选项A正确。
13、(3) 由图丙知45段伸长量与弹力不成线性关系，主要原因是钩码重力超出弹簧的 弹性限度。答案(1)6.93 (2)A (3)超出弹簧的弹性限度3. 某学生做“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验。实验时把弹簧竖直悬挂起来, 在下端挂钩码，每增加一只钩码均记下对应的弹簧的长度X,数据记录如下表所 示。钩码个数01234567弹力F/N01.02.03.04.05.06.07.0弹簧伸长的02.003.986.027.979.9511.8013.50(1)根据表中数据在图中作出F-X图线。s=i去s IlnnsR(2)根据F-X图线求出图线的斜率为Nm,此斜率与所挂钩码的个数关。(保留2位有效数字)解
14、析(1)见答案图所示。(2)图线的斜率 Rf=) sox戸 Nm51 Nm0此图线的斜率只与弹簧有关与所挂钩码的个数无关。答案(1)如图所示 F/N!SsiSiiiiHininimSiSi(2)51 无4. 某同学在做探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验中，设计了如图屮所示的 实验装置。所用的钩码每只的质量都是30 g,他先测出不挂钩码时弹簧的自然长 度，再将5个钩码逐个挂在弹簧的下端，每次都测出相应的弹簧总长度，将数据 填在了下面的表中。(弹力始终未超过弹性限度，g取9.8 nrs2)钩码质量/g0306090120150弹簧总长/cm5.006.167.348.489.6410.81(1)试根据这些实验数据在图乙给定的坐标纸上作出弹簧所受弹力大小F跟弹簧总长厶之间的函数关系图线。(2)该弹簧的劲度系数k=N/nio解析(1)根据实验数据在坐标纸上描出的点，基本上在同一条直线上，可以判定 F和Z间是一次函数关系。画一条直线，使尽可能多的点落在这条直线上，不在 直线上的点均匀地分布在直线两侧，如图所示。(2)根据胡克定律得F1.60A-：(11.2-5) XlO-2 Ng25.8Nm答案如解析图所示(2)25.8
