新教材高中物理第3章相互作用實驗探究彈簧彈力的大小與伸長量的關(guān)系學(xué)案

實驗探究彈簧彈力的大小與伸長量的關(guān)系課標(biāo)解讀課標(biāo)要求素養(yǎng)要求1.掌握彈簧彈力與伸長量間的關(guān)系。2.學(xué)會利用圖像法處理實驗數(shù)據(jù)。3.能根據(jù)Fx圖像求出彈簧的勁度系數(shù)。1.科學(xué)探究:能完成“探究彈簧彈力的大小與伸長量的關(guān)系”實驗;能根據(jù)已有的實驗方案,使用彈簧測力計、刻度尺等器材收集實驗數(shù)據(jù);通過作圖或其他方法分析數(shù)據(jù)形成初步的結(jié)論。2.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:通過對彈力的探究,能認(rèn)識實驗對物理研究的重要性;有學(xué)習(xí)物理的興趣,知道實事求是和與他人合作的重要性。一、實驗?zāi)康?1)探究彈簧彈力的大小與伸長量的關(guān)系。(2)了解彈簧測力計的工作原理。二、實驗原理1.彈簧受力會發(fā)生形變,形變的大小與受到的外力有關(guān),沿著彈簧的方向拉彈簧,當(dāng)形變穩(wěn)定時,彈簧產(chǎn)生的彈力與使它發(fā)生形變的拉力在數(shù)值上是相等的。(注:彈簧質(zhì)量不計)2.用懸掛法測量彈簧的彈力,運用的正是彈簧的彈力與掛在彈簧下面的鉤碼的重力相等。3.彈簧的長度可用刻度尺直接測出,伸長量可以由拉長后的長度減去彈簧原來的長度進(jìn)行計算,這樣就可以研究彈簧的彈力和彈簧伸長量之間的定量關(guān)系,即尋求F=kx的關(guān)系。三、實驗器材帶掛鉤的彈簧、刻度尺、鐵架臺、鉤碼若干、坐標(biāo)紙。四、實驗步驟1.按如圖所示安裝實驗裝置,將彈簧的一端掛在鐵架臺上,讓其自然下垂。2.用刻度尺測出彈簧自然伸長狀態(tài)時的長度L0,即原長。3.將已知質(zhì)量的鉤碼掛在彈簧的下端,在平衡時測量彈簧的總長度并記錄對應(yīng)鉤碼的重力,填寫在記錄表格里。4.依次增加所掛鉤碼的數(shù)量,重復(fù)前面的實驗過程6~7次。五、數(shù)據(jù)處理將數(shù)據(jù)及計算結(jié)果填入表中。彈簧原長為L0。次數(shù)1234567鉤碼質(zhì)量m/g彈簧彈力F/N彈簧長度L/cm伸長量x/cm1.以彈力F(大小等于所掛鉤碼的重力)為縱坐標(biāo),以彈簧的伸長量x為橫坐標(biāo),用描點法作圖,連接各點,得出彈力F隨彈簧伸長量x變化的圖線。2.以彈簧的伸長量為自變量,寫出曲線所代表的函數(shù),首先嘗試一次函數(shù),如果不行則考慮二次函數(shù)。3.得出彈力和彈簧伸長量之間的定量關(guān)系,解釋函數(shù)表達(dá)式中常數(shù)的物理意義。六、誤差分析1.彈簧長度的測量誤差。2.描點畫線的作圖誤差。七、注意事項1.所掛鉤碼不要過重,以免彈簧被過分拉伸,超出它的彈性限度,要注意觀察,適可而止。2.每次所增加鉤碼的質(zhì)量不能太小,也不能太大,從而使彈簧伸長明顯,且采集的數(shù)據(jù)足夠多,這樣作出的圖線更精確。3.測彈簧長度時,一定要在彈簧豎直懸掛且處于平衡狀態(tài)時測量,刻度尺要保持豎直并靠近彈簧,以免增大誤差。4.作Fx圖像時,應(yīng)適當(dāng)選取坐標(biāo)軸的單位長度,以使所有數(shù)據(jù)點盡量分布在整個坐標(biāo)紙平面。5.描點畫線時,所描的點不一定都落在一條直線上,但不在直線上的點應(yīng)均勻分布在直線的兩側(cè)。個別誤差較大的點可以舍去。探究點一實驗原理與實驗操作例如圖甲所示,用鐵架臺、彈簧和多個已知質(zhì)量且質(zhì)量相等的鉤碼探究在彈性限度內(nèi)彈簧彈力與彈簧伸長量的關(guān)系。(1)為完成實驗,還需要的實驗器材有:。

(2)實驗中需要測量的物理量有:。

(3)為完成該實驗,設(shè)計的實驗步驟如下:A.以彈簧伸長量為橫坐標(biāo),以彈力為縱坐標(biāo),描出各組(x,F)對應(yīng)的點,并用平滑的曲線連接起來;B.記下彈簧不掛鉤碼時其下端在刻度尺上對應(yīng)的刻度l0;C.將鐵架臺固定于桌子上,并將彈簧的一端系于橫梁上,在彈簧附近豎直固定一把刻度尺;D.在彈簧下端依次掛不同數(shù)量的鉤碼,并分別記下鉤碼靜止時彈簧下端所對應(yīng)的刻度,并記錄在表格內(nèi),然后取下鉤碼;E.以彈簧伸長量為自變量,寫出彈力與彈簧伸長量的關(guān)系式。首先嘗試寫成一次函數(shù),如果不行,則考慮二次函數(shù);F.解釋函數(shù)表達(dá)式中常數(shù)的物理意義;G.整理儀器。請將以上步驟按操作的先后順序排列出來:。

(4)按以上順序操作畫出的圖像如圖乙所示,由圖像可知,實驗操作中不規(guī)范的是(填操作前的字母)。

答案(1)刻度尺(2)彈簧原長、彈簧所受外力與對應(yīng)的伸長量(或與彈簧對應(yīng)的長度)(3)CBDAEFG(4)B解析(1)根據(jù)實驗原理可知還需要刻度尺來測量彈簧的原長和彈簧伸長后的長度。(2)根據(jù)實驗原理,實驗中需要測量的物理量有彈簧的原長、彈簧所受外力與所對應(yīng)的長度。(3)根據(jù)完成實驗的合理性可知先后順序為CBDAEFG。(4)圖線不過原點,與x軸相交表示沒有力時有了形變量,說明彈簧重力使其產(chǎn)生形變,故測量原長時忽略了重力影響,步驟B操作不規(guī)范。思路導(dǎo)引本實驗的目的是探究在彈性限度內(nèi)彈簧彈力與彈簧伸長量的關(guān)系,由Fx圖像得出彈簧的勁度系數(shù)。明確實驗方法,從而確定實驗步驟、所需測量的物理量。探究歸納本實驗操作過程中需注意的事項:1.彈簧原長的測量是在懸掛彈簧穩(wěn)定后再進(jìn)行測量;2.分別測量原長和懸掛鉤碼后的長度,進(jìn)而求解形變量;3.整個實驗過程均在彈簧的彈性限度內(nèi)完成。1.某同學(xué)做“探究彈力和彈簧伸長量的關(guān)系”的實驗。①圖甲是不掛鉤碼時彈簧下端指針?biāo)傅臉?biāo)尺刻度,其示數(shù)為7.73cm;圖乙是在彈簧下端懸掛鉤碼穩(wěn)定后指針?biāo)傅臉?biāo)尺刻度,此時彈簧的伸長量Δl為cm;

②本實驗通過在彈簧下端懸掛鉤碼的方法來改變彈簧的彈力,關(guān)于此操作,下列選項中規(guī)范的做法是;(填選項前的字母)

A.逐一增掛鉤碼,記下每增加一個鉤碼后指針?biāo)傅臉?biāo)尺刻度和對應(yīng)的鉤碼總重B.隨意增減鉤碼,記下增減鉤碼后指針?biāo)傅臉?biāo)尺刻度和對應(yīng)的鉤碼總重③圖丙是該同學(xué)描繪的彈簧的伸長量Δl與彈力F的關(guān)系圖線,圖線的AB段明顯偏離直線OA,造成這種現(xiàn)象的主要原因是。

答案①6.93②A③超過彈簧的彈性限度解析①Δl=14.66cm7.73cm=6.93cm(6.93~6.95cm之間均可)②應(yīng)逐一增掛鉤碼,不能隨意增減,A項正確。③彈簧下端鉤碼對彈簧的拉力過大,使彈簧形變量超過了彈簧的彈性限度,彈簧的伸長量不再是線性變化。2.以下是某同學(xué)所進(jìn)行的“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”的實驗步驟:(1)將一個彈簧的上端固定在鐵架臺上,豎直懸掛起來,在彈簧下掛一個鉤碼,記下鉤碼的質(zhì)量m1,此時彈簧平衡,彈力大小為F1=m1g,并用刻度尺測量出此時彈簧的長度l1,并記錄到表格中。(2)再增加鉤碼,重復(fù)上述的操作,逐漸增加鉤碼的重力,得到多組數(shù)據(jù)。(3)以力F為縱坐標(biāo),以彈簧長度lx為橫坐標(biāo),根據(jù)所測的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點。(4)按坐標(biāo)紙上所描各點的分布與走向,作出一條平滑的曲線(包括直線)。(5)根據(jù)圖線的特點,分析彈簧的彈力F與彈簧長度lx的關(guān)系,并得出實驗結(jié)論。以上步驟中至少有三個不當(dāng)之處,請將不合理的地方找出來并進(jìn)行修正。答案見解析解析(1)中還應(yīng)該測出彈簧的原長l0,此時應(yīng)在不掛鉤碼的情況下,讓彈簧保持自然下垂?fàn)顟B(tài),用刻度尺測出從懸點到彈簧下端的長度即l0;(3)中建立坐標(biāo)系時應(yīng)該以彈簧的形變量為橫坐標(biāo),因為探究的是彈力與彈簧伸長量的關(guān)系;(5)中應(yīng)分析彈力與彈簧伸長量的關(guān)系。探究點二實驗誤差分析和數(shù)據(jù)處理例某同學(xué)在做“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”實驗。(1)用如圖甲所示的裝置做“探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”實驗,下列說法正確的是;

A.每次增加的鉤碼數(shù)量必須相等B.任何彈簧的彈力與伸長量之比都相等C.通過實驗可知,在彈性限度內(nèi),彈力與彈簧的長度成正比D.用懸掛鉤碼的方法給彈簧施加拉力,應(yīng)保證彈簧豎直且處于平衡狀態(tài)(2)該同學(xué)通過實驗得到如圖乙所示的彈簧長度x與彈力大小F的關(guān)系圖線。由此圖線可得該彈簧的原長x0=cm,勁度系數(shù)k=N/m。(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)

答案(1)D(2)11.65.65(5.64~5.66均可)解析(1)每次增加的鉤碼數(shù)量不必相等,故A錯誤;不同彈簧的勁度系數(shù)一般不相同,故B錯誤;在彈性限度內(nèi),彈簧的彈力與彈簧的形變量成正比,故C錯誤;在彈性限度內(nèi)通過增減鉤碼的數(shù)量,在豎直方向上改變對彈簧的拉力,來探究彈力與彈簧伸長量的關(guān)系,故D正確。(2)由胡可定律可得,彈簧的長度和彈簧彈力關(guān)系為x=+x0,由此可得圖線的縱截距為該彈簧的原長,即x0=11.6cm。由胡克定律有k==N/m≈5.65N/m。探究歸納根據(jù)圖線求斜率選點時應(yīng)注意的兩點:①兩點對應(yīng)的坐標(biāo)最好對應(yīng)刻度線;②兩點的距離盡可能遠(yuǎn)些。一個學(xué)習(xí)小組用如圖甲所示實驗裝置來“探究彈簧彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”;如圖乙是使用兩根不同的輕質(zhì)彈簧a和b,得到彈力F與彈簧長度L的圖像。回答下列問題:(1)在“探究彈簧彈力與彈簧伸長量的關(guān)系”的實驗中,以下說法正確的是。

A.彈簧被拉伸時,可以超出它的彈性限度B.用懸掛鉤碼的方法給彈簧施加拉力時,應(yīng)豎直懸掛彈簧,掛在彈簧下端的鉤碼應(yīng)處于靜止?fàn)顟B(tài)C.用刻度尺測得彈簧的長度減去彈簧的原長就是彈簧的伸長量D.用幾個不同的彈簧,分別測出它們所受的拉力與伸長量,可得出拉力與伸長量之比相等(2)由乙圖可得輕質(zhì)彈簧a和b的勁度系數(shù)分別為:ka=、kb=。

(3)圖線b上端彎曲的原因是。

答案(1)BC(2)(3)拉力過大,超過了彈簧的彈性限度解析