实 验 二 探究弹力和弹簧伸长的关系

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1.弹簧的劲度系数与弹簧的材质、弹簧丝的粗细、单位长度内的 匝数及弹簧的原长等因素有关,为了探究弹簧劲度系数与弹簧 原长的关系,某同学设计了如下实验: (1)实验器材:刻度尺、原长约30 cm的轻弹簧一根、质量适当 且相同的钩码5个、剪刀一把(用来剪断弹簧),除以上器材 外,还需要的器材是__________。 (2)简要实验步骤如下,请完成相应填空: a.将轻弹簧A悬挂在铁架台上,用刻度尺测 量弹簧的原长L0; b.在弹簧的下端挂上钩码,记下钩码的个 数n(n分别取1、2、3、4、5),并待钩码静止 时测出__________________,计算出弹簧的伸长量x; c.改变钩码个数,重复实验步骤b; d.将另一根与A完全相同的弹簧剪成长度不同的两段B和C, 测出B和C的原长之比为2∶1,分别用B和C代替A重复实验步 骤 a 、 b、 c 。
(3)若悬挂的钩码的质量比所标数值偏小些,则实验测得
大 。 的弹簧的劲度系数比实际劲度系数偏____
[解析] 因钩码所标数值比实际质量偏大,且所用钩码越 3.实验误差分析 多,偏差越大,因此所作出的 m l图线比实际情况下的图线 (1)悬挂的钩码质量与实际质量不同将影响所描绘各 斜率 (即劲度系数)偏大。 点的位置。
2.某同学做“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验。
(1)图甲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 Δl 为________cm。 (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__________。 (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 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
(3)根据实验测量的数据,以所挂钩码个数n为横坐标,以弹 簧伸长量x为纵坐标,得到上述A、B、C三个弹簧的xn图像 如图所示,根据图像可得出的实验结论为____________,图 线A的上部发生弯曲的原因是_____________________。
解析:(1)弹簧和刻度尺都要固定在铁架台上。 (2)实验中一定要待钩码静止时,测出弹簧长度,进而算出其 伸长量。 (3)令单个钩码重力为G,由题图知,当弹力一定(均为4G) 时,A、B、C三根弹簧的劲度系数之比为2∶3∶6,而A、 2 1 B、C三根弹簧的原长之比为L0∶ 3 L0∶ 3 L0=3∶2∶1,所以 弹簧劲度系数与弹簧原长成反比,图线A的上部发生弯曲的 原因是弹簧弹力超过其弹性限度,胡克定律不再成立。 答案:(1)铁架台 (2)弹簧的长度 (3)劲度系数与弹簧原长 成反比 弹ห้องสมุดไป่ตู้弹力超过其弹性限度
实验时,得到如图甲所示的F L图像,由图像可知:弹簧原
长L0=______cm,求得弹簧的劲度系数k=_____ N/m。
(2)按如图乙的方式挂上钩码(已知每个钩码重G=1
N),使
(1)中研究的弹簧压缩,稳定后指针指示如图乙,则指针所 指刻度尺示数为________ cm。由此可推测图乙中所挂钩码 的个数为________个。
1
1 并联起来时弹簧的伸长量Δx2= 3 × [(30.29-29.97)+(29.97-29.65) +(29.65-29.33)]cm=0.32 cm。根据胡克定律知弹簧甲、乙合并 ΔF 0.49 N 后的劲度系数k= Δx = 0.32 cm ≈153 N/m。根据k并=k甲+k乙,可 2 计算出弹簧乙的劲度系数k乙=153 N/m-49 N/m=104 N/m。
(3)图丙是该同学描绘的弹簧的伸长量Δl与弹力F的关系图 线,图线的AB段明显偏离直线OA,造成这种现象的主要 原因是_______________________________。
解析:(1)弹簧伸长后的总长度为 14.66 cm,则伸长量 Δl= 14.66 cm-7.73 cm=6.93 cm。 (2)逐一增挂钩码,便于有规律地描点作图,也可避免因随意 增加钩码过多超过弹簧的弹性限度而损坏弹簧,A 正确。 (3)AB 段明显偏离直线 OA, 伸长量 Δl 不再与弹力 F 成正比, 是超出弹簧的弹性限度造成的。
解析:由表格中的数据可知,当弹力的变化量ΔF=mg=0.05× 1 9.8 N=0.49 N时,弹簧甲的伸长量为Δx1= 3 ×[(33.02-32.02)+ (32.02-31.02)+(31.02-30.02)]cm=1.00 cm,根据胡克定律知弹 ΔF 0.49 N 簧甲的劲度系数k1=Δx =1.00 cm=49.0 N/m。把弹簧甲和弹簧乙
2.实验原理的理解与应用 (1)应先测出不挂钩码时弹簧的自然长度l0;然后测 出悬挂钩码后弹簧的长度l,则x=l-l0。 (2)注意弹簧所受外力与弹簧伸长量的对应关系。
(3)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,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l0; 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.在弹簧下端依次挂上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。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。 CBDAEFG 。 请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来:____________
解析:(1)描点作图,如图所示:
ΔF (2)图像的斜率表示劲度系数,故有:k= Δx =50 N/m。 (3)图线与x轴的交点坐标表示弹簧不挂钩码时的长度, 其数值大于弹簧原长,是因为弹簧自身重力的影响。
答案:(1)图见解析 力的影响
(2)50
(3)竖直悬挂时,弹簧自身重
4.在探究弹力和弹簧伸长的关系时,某同学先按图 1 所示对弹簧甲进行探究,然后把等长的弹簧乙 (直径小于甲)套在弹簧甲内,两弹簧悬挂在同一 点按图 2 所示进行探究。在弹性限度内,将质量 m=50 g 的钩码逐个挂在弹簧下端,测得图 1、 图 2 中弹簧的长度 L1、L2 如下表所示。
(2)所悬挂钩码的个数越多,质量偏差越大。
[集训冲关] 3.(2018· 泉州模拟)某实验小组做“探究弹力和弹簧伸长量的
关系”的实验。实验时,先把弹簧平放在桌面上,用刻度 尺测出弹簧的原长 L0=4.6 cm,再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。
实验原理与操作
刻度尺 。 (1)为完成实验,还需要的实验器材有:________
1.实验器材的选用 弹簧的伸长量应由刻度尺测出。
(2)实验中需要测量的物理量有: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) 。 _____________________________________
钩码个数 弹力F/N 弹簧的长度x/cm
1 1.0 7.0
2 2.0 9.0
3 3.0 11.0
4 4.0 13.0
5 5.0 15.0
(1)根据表中数据在下图中作出Fx图像;
(2)由此图线可得,该弹簧劲度系数k=________N/m;(结 果保留两位有效数字) (3)图线与x轴的交点坐标大于L0的原因是____________。
答案:49.0 104
突破点(三)
创新角度 实验装置图 (2018·商丘模拟) 实验原理 创新
实验的改进与创新
创新解读 1.弹簧水平放置,消除弹簧 自身重力对实验的影响。 2.改变弹簧的固定方式,研 究弹簧弹力大小与压缩量 之间的大小关系。 1.用橡皮筋代替弹簧做实 验。 2.拉力传感器显示的拉力F 与橡皮筋的弹力并不相 等,仅为橡皮筋弹力在水 平方向的分力。
(2018·宝鸡质检) 实验器材 创新
创新角度
实验装置图 (2014· 全国卷Ⅱ)
创新解读 1.利用固定在弹簧上的7个指 针,探究弹簧的劲度系数 k与弹簧长度的关系。
实验过程 创新
2.利用“化曲为直”的思 想,将探究劲度系数k与 弹簧圈数的关系,转化为 1 探究。k与n的关系。
[集训冲关] 5.(2018· 商丘模拟)(1)某次研究弹簧所受弹力F与弹簧长度L关系
3.实验操作步骤的排序 (1)测量弹簧长度的刻度尺应在弹簧附近竖直固定。 (2)弹簧的原长l0应在弹簧自然下垂状态下测定。
(4)图乙是弹簧弹力F与弹簧伸长量x的Fx图线,由此可
200 求出弹簧的劲度系数为________ N/m。
4.实验数据的处理 Fx图线的斜率等于弹 簧的劲度系数。
[集训冲关]
实 验 二 探究弹力和弹簧伸长的关系
一、实验目的 1.探究弹力和弹簧伸长的定量关系。 2.学会利用列表法、图像法、函数法处理实验数据。 二、实验器材 弹簧、 毫米刻度尺 、铁架台、钩码若干、坐标纸。
突破点(一)
[例1] 如图甲所示, 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。
答案:(1)6.93 (2)A (3)弹簧受到的拉力超过了其弹性限度
突破点(二)
[例2]
数据处理与误差分析
在“探究弹力和弹簧伸长的关系”实验中。
(1)某同学使用两条不同的轻质弹簧a和 b,得到弹力与弹簧长度的图像如图所示。下 列表述正确的是 A.a的原长比b的长 C.a的劲度系数比b的小 D.测得的弹力与弹簧的长度成正比 [解析 ] 在 Fl图像中,图线与l轴交点的横坐标表示弹簧原长, 1.实验图像分析 (1) Fx图像和 Fl图像的斜率均表示弹簧的劲度系数。 故 a的原长比 b的小;题图图线的斜率表示弹簧的劲度系数,所 (2)F x图像理论上应是一条过原点的直线,但弹簧自重对实 以a的劲度系数比b的大;由于图像没有通过原点,弹簧的长度 验造成的影响可引起F x图像发生平移。 等于原长加变化量,弹簧的长度和弹力不成正比。 (3)F l图像与l轴交点的横坐标表示弹簧原长。 ( B ) B.a的劲度系数比b的大
(2)为了测量某一弹簧的劲度系数,将该弹簧竖直悬挂起来,在自 由端挂上不同质量的钩码。实验测出了钩码质量 m 与弹簧长度 l 的相 应数据,其对应点已在图上标出。作出 m l 的关系图线。弹簧的劲度
0.255(0.248~0.262均正确) 系数为__________________________N/m( 结果保留三位有效数字)。
钩码个数 L1/cm L2/cm
1 30.02 29.33
2 31.02 29.65
3 32.02 29.97
4 33.02 30.29
已知重力加速度 g=9.8 m/s2, 计算弹簧甲的劲度系数 k1=_ _ _ _ _ _ N/m,弹簧乙的劲度系数 k2=________ N/m。(结果保留三位 有效数字)
[答案] 图线如图所示
2[ . 描点法作图和数据处理 解析 ]由胡克定律F=kx得: (1)由于实验存在误差,依据实验数据描出的点可能不全在一条 F Δmg 直线上。 k= x = Δl =g· k斜=0.255 N/m。 (2)连线时应让直线通过尽量多的点,不在直线上的点尽量对称 地分布在直线两侧,偏离直线较远的点应舍去。
解析:(1)由胡克定律F=k(L-L0),结合题图甲中数据 得:L0=3.0 cm,k=200 N/m。 (2)由题图乙知指针所示刻度为1.50 cm,由F=k(L0-L), 可求得此时弹力为:F=3 N,故所挂钩码的个数为3个。
答案:(1)3.0
200
(2)1.50
3
6.(2018· 宝鸡质检)某物理学习小组用如图甲所示装置来研究 橡皮筋的劲度系数(遵循胡克定律且实验中弹力始终未超过 弹性限度),将一张白纸固定在竖直放置的木板上,原长为 L0的橡皮筋的上端固定在O点,下端挂一重物。用与白纸 平行的水平力(由拉力传感器显示其大小)作用于N点,静止 时记录下N点的位置a,请回答:
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