2018版高中物理必修一学案:3实验:探究弹力与弹簧伸长量的关系含答案精品.pdf
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1、实验:探究弹力与弹簧伸长量的关系 一、实验目的 1探究弹力与弹簧伸长的关系。 2学会利用列表法、图象法、函数法处理实验数据。 3验证胡克定律。 二、实验原理 1如图 1 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 码的重力大小相等。 图 1 2弹簧的长度可用刻度尺直接测出,伸长量可以由拉长后的长度减去弹簧原来的长度 进行计算。这样就可以研究弹簧的弹力和弹簧伸长量之间的定量关系了。 3求弹簧的劲度系数:弹簧的弹力F 与其伸长量x 成正比,比例系数k F x ,即为弹簧 的劲度系数;另外,在Fx 图象中,直线的斜率也等于弹簧的劲度系数。 三、实验器材 铁架台、弹簧、毫米刻度
2、尺、钩码若干、坐标纸。 四、实验步骤 1按图 2 安装实验装置,记下弹簧下端不挂钩码时所对应的刻度l0。 图 2 2在弹簧下端悬挂一个钩码,平衡时记下弹簧的总长度并记下钩码的重力。 3增加钩码的个数,重复上述实验过程,将数据填入表格,以F 表示弹力, l 表示弹 簧的总长度, xll0表示弹簧的伸长量。 1234567 F/N0 l/cm x/cm0 五、数据处理 1以弹力 F(大小等于所挂钩码的重力)为纵坐标, 以弹簧的伸长量x 为横坐标, 用描点 法作图。连接各点,得出弹力F 随弹簧伸长量x变化的图线,如图3 所示。 图 3 2以弹簧伸长量为自变量,写出弹力和弹簧伸长量之间的函数关系,函数
3、表达式中常 数即为弹簧的劲度系数,这个常数也可据Fx 图线的斜率求解,k F x。 六、误差分析 由于弹簧原长及伸长量的测量都不便于操作,存在较大的测量误差,另外由于弹簧自身 的重力的影响, 即当未放重物时,弹簧在自身重力的作用下,已经有一个伸长量,这样所作 图线往往不过原点。 七、注意事项 1所挂钩码不要过重,以免弹簧被过分拉伸,超出它的弹性限度。 2每次所挂钩码的质量差尽量大一些,从而使坐标上描的点尽可能稀一些,这样作出 的图线精确。 3测弹簧长度时,一定要在弹簧竖直悬挂且处于平衡状态时测量,刻度尺要保持竖直 并靠近弹簧,以免增大误差。 4描点画线时,所描的点不一定都落在一条直线上,但应注
4、意一定要使各点均匀分布 在直线的两侧。 5记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位。 预习完成后,请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 问题 1 问题 2 问题 3 要点一实验原理及实验操作 例 1 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10 g 砝码,弹簧长度依次记为L1至 L6。数据如下表: 代表符号L0 LxL1L2L3L4L5L6 数值 (cm)25.3527.3529
5、.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 _。 (3)图 4 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”)。 图 4 (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,重力加速度取9.8 m/ s 2) 解析(1)为保证弹簧的形变只由砝码和砝码盘的重力引起,所以弹簧轴线和刻度尺均 应在竖直方向。 (2)弹簧静止时,记录原长L0;表中的数据 L3与其他数据有效数字位数不同,所以数据 L3不规
6、范,标准数据应读至厘米位的后两位,最后一位应为估计值,精确至 mm 位,所以 刻度尺的最小分度为1 mm。 (3)由题图知所挂砝码质量为0 时, x 为 0, 所以 xL Lx。 (4)由胡克定律Fk x 知,mg k(LLx),即 mgkx,所以图线斜率即为 k g m x 则弹簧 的劲度系数k mg x 6010 10 39.8 12 2 10 2 N/m 4.9 N/ m。 同理砝码盘质量 m k Lx L0 g 4.9 27.3525.35 10 2 9.8 kg 0.01 kg10 g。 答案(1)竖直(2)静止L31 mm(3)Lx (4)4.910 要点二实验数据处理 例 2 一
7、位同学做“探究弹力大小与弹簧伸长量之间的关系”所测的几组数据见下表, 请你根据表中数据作出分析。 弹力 F/N0.51.01.52.0 弹簧原来长度L0/cm 15.015.015.015.0 弹簧后来长度L/cm16.017.117.919.0 弹簧伸长量x/cm (1)算出每一次弹簧的伸长量,并将结果填在表中的空格内。 (2)在坐标图上作出Fx 图线。 图 5 (3)写出图线的函数表达式(x 用 cm 作单位 ):_。 (4)函数表达式中常数的物理意义:_ 。 解析(1) 弹力 F/N0.51.01.52.0 弹簧伸长量x/cm1.02.12.94.0 (2)根据表格数据在Fx 坐标图上描
8、点,根据描的点作直线,使所描各点拟合在直线上 (不在直线上的点均匀分布在直线两侧)。 (3)根据 (2)中的 Fx 图线知, F 与 x 是正比例函数,设表达式为Fkx,将 F 0.5 N、x 1.0 cm 代入得 k0.5 N/cm 故函数表达式为F0.5x(N)。 (4)函数表达式中常数就是弹簧的劲度系数。 答案见解析 要点三创新实验 例 3 在“探究弹力和弹簧伸长量的关系,并测定弹簧的劲度系数”的实验中,实验装 置如图 6 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,每次测出相应的弹簧总长 度。
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