备战2025届新高考物理一轮总复习第2章相互作用第6讲实验探究弹簧弹力与形变量的关系课件

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一、实验目的探究弹簧弹力与形变量的定量关系。二、实验思路　　　　　静止时读数1.如图所示,弹簧弹力(F)等于悬挂钩码的重力。2.弹簧伸长量(x)等于弹簧的现长(l)减去原长(l0)。3.多测几组,找出F与x的关系。三、实验器材弹簧、毫米刻度尺、铁架台、钩码若干、坐标纸。
四、进行实验1.安装实验仪器。 竖直悬挂,自然下垂时测量2.用刻度尺测出弹簧的原长。3.在弹簧下端挂质量为m1的钩码,量出此时弹簧的长度l1,填入表格中。4.改变所挂钩码的质量,量出对应的弹簧长度,记录m2,m3,m4,m5和相应的弹簧长度l2,l3,l4,l5,并得出每次弹簧的伸长量x1,x2,x3,x4,x5。
五、数据处理与分析1.以弹力F为纵坐标,以弹簧的伸长量x为横坐标,建立坐标系,选取合适的单位,用描点法作图。用平滑的曲线连接各点,得到弹力F随弹簧伸长量x变化的关系图像。2.以弹簧的伸长量为自变量,写出曲线所代表的函数。首先尝试一次函数,如果不行,则考虑二次函数等。3.得出弹力和弹簧伸长量之间的定量关系,解释函数表达式中常数的物理意义。
六、误差分析1.钩码标值不准确、弹簧长度测量不准确以及画图时描点连线不准确等都会引起实验误差。2.悬挂钩码数量过多,导致弹簧的形变量超出了其弹性限度,不再符合胡克定律(F=kx),图像发生弯曲。3.水平放置弹簧测量其原长,由于弹簧有自重,将其悬挂起来后会有一定的伸长量,使图像横轴截距不为零。
考向一 实验原理和实验操作典题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。
(1)为完成实验,还需要的实验器材有　　 　。 (2)实验中需要测量的物理量有 　 。(3)图乙是弹簧弹力F与弹簧伸长量x的关系图线,由此可求出弹簧的劲度系数为　　　　 N/m。图线不过原点的原因是　　　　　　 　　。 
弹簧挂不同个数的钩码时所对应的伸长量
解析 (1)根据实验原理可知还需要刻度尺来测量弹簧的长度。(2)根据实验原理,实验中需要测量的物理量是弹簧挂不同个数的钩码时所对应的伸长量。(3)取图像中(0.5,0)和(3.5,6)两个点,由F=kx,可得 。由于弹簧自身存在重力,使得弹簧不加外力时就有形变量。
考向二数据处理和误差分析典题2 (2024广东模拟)(1)某实验小组在探究弹簧弹力和弹簧伸长量之间关系的实验中,得到的实验数据如下表。
在坐标系中作出弹簧弹力随伸长量变化的图像,求得该弹簧的劲度系数k=　　　　　 N/m(保留2位有效数字)。 
(2)该实验小组紧接着又研究橡皮筋伸长与所受拉力的关系。实验时,将原长约200 mm的橡皮筋上端固定,在竖直悬挂的橡皮筋下端逐一增挂质量均为20 g的钩码,每增挂一只钩码均记下对应的橡皮筋伸长量;当挂上10只钩码后,再逐一把钩码取下,每取下一只钩码,也记下对应的橡皮筋伸长量,根据测量数据,作出增挂钩码和减挂钩码时橡皮筋伸长量Δl与拉力F关系的图像如图所示。
从图像中可以得出　　　　　。(填选项前的字母) A.增挂钩码时Δl与F成正比,而减挂钩码时Δl与F不成正比B.当所挂钩码数相同时,增挂钩码时橡皮筋的伸长量比减挂钩码时的小C.当所挂钩码数相同时,增挂钩码时橡皮筋的伸长量与减挂钩码时的相等D.增挂钩码时所挂钩码数过多,导致橡皮筋超出弹性限度
解析 (1)将各点在坐标系中描出,作出F-x图像如图所示。由胡克定律可知
(2)由图可知,增挂钩码与减挂钩码时Δl与F不成正比,A错误;由图可知,当所挂钩码数相同时,增挂钩码时橡皮筋的伸长量比减挂钩码时的小,B正确,C错误;所挂钩码数相同时,橡皮筋的伸长量不同,说明增挂钩码时所挂钩码数过多,导致橡皮筋超出弹性限度,D正确。
考点二　实验的改进与创新
考向一 实验方法的创新典题3 (2021广东卷)某兴趣小组测量一缓冲装置中弹簧的劲度系数。缓冲装置如图所示,固定在斜面上的透明有机玻璃管与水平面夹角为30°,弹簧固定在有机玻璃管底端。实验过程如下:先沿管轴线方向固定一毫米刻度尺,再将单个质量为200 g的钢球(直径略小于玻璃管内径)逐个从管口滑进,每滑进一个钢球,待弹簧静止,记录管内钢球的个数n和弹簧上端对应的刻度尺示数Ln,数据如表所示。实验过程中弹簧始终处于弹性限度内。采用逐差法计算弹簧压缩量,进而计算其劲度系数。
(1)利用ΔLi=Li+3-Li(i=1,2,3)计算弹簧的压缩量:ΔL1=6.03 cm,ΔL2=6.08 cm,(2)上述 是管中增加　　　　个钢球时产生的弹簧平均压缩量; (3)忽略摩擦,重力加速度g取9.80 m/s2,该弹簧的劲度系数为　　　　 N/m(结果保留3位有效数字)。 
考向二 实验原理的创新典题4 (2023河北模拟)某同学学习通过平面镜观察桌面的微小形变的实验后,受此启发,设计一个测量弹性轻杆的形变量与其劲度系数的实验,如图所示,图中B为待测量的弹性轻杆,C为底部带有小孔且装满细砂的小桶。A为一长度为L的轻质刚性杆,一端与弹性杆B连接,另一端与轻质平面镜M的中心O'相连,且与平面镜M垂直。轻质平面镜竖直放在水平实验台上,PQ为一带有弧长刻度的透明圆弧,O为PQ的中心,圆弧PQ的半径为r,不挂砂桶时,一束细光束经PQ的O点射到平面镜的O'点后原路返回,挂上砂桶后,使平面镜发生倾斜,入射光束在M上的入射点可以近似认为仍在O'点,通过读取反射光在圆弧上的位置,测得光点在透明读数条上移动的弧长为s,可以测得弹性轻杆的形变量,根据胡克定律就可以确定弹性杆的劲度系数。已知r≫L,L远大于弹性杆的形变量,重力加速度为g。
(1)随着砂桶中细砂的不断流出,反射光线的光点在PQ圆弧上　　　　(选填“向上”或“向下”)移动。 (2)弹性杆的形变量x=　　　　　　(用光点移动的弧长s、r、L表示)。 (3)弹性杆的劲度系数k=　　　　　　(砂桶的总质量用m表示)。