2020版物理新增分大一轮人教通用版讲义：第二章相互作用实验二

实验二　探究弹力和弹簧伸长的关系

1．实验原理

弹簧受到拉力作用会伸长，平衡时弹簧产生的弹力和外力大小相等；弹簧的伸长量越大，弹力也就越大．

2．实验器材

铁架台、弹簧、钩码、刻度尺、坐标纸．

3．实验步骤

(1)安装实验仪器(如图1所示)．

图1

(2)测量弹簧的伸长量(或总长)及所受的拉力(或所挂钩码的质量)，列表作出记录，要尽可能多测几组数据．

(3)根据所测数据在坐标纸上描点，以力为纵坐标，以弹簧的伸长量为横坐标．

(4)按照在图中所绘点的分布与走向，尝试作出一条平滑的曲线(包括直线)，所画的点不一定正好在这条曲线上，但要注意使曲线两侧的点数大致相同．

(5)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，如果不行再考虑二次函数．

1．数据处理

(1)列表法

将测得的F、x填入设计好的表格中，可以发现弹力F与弹簧伸长量x的比值在误差允许范围内是相等的．

(2)图象法

以弹簧伸长量x为横坐标，弹力F为纵坐标，描出F、x各组数据相应的点，作出的拟合曲线是一条过坐标原点的直线．

(3)函数法

弹力F与弹簧伸长量x满足F＝kx的关系．

2．注意事项

(1)不要超过弹性限度：实验中弹簧下端挂的钩码不要太多，以免弹簧被过分拉伸，超过弹簧的弹性限度．

(2)尽量多测几组数据：要使用轻质弹簧，且要尽量多测几组数据．

(3)观察所描点的走向：本实验是探究性实验，实验前并不知道其规律，所以描点以后所作的曲线是试探性的，只是在分析了点的分布和走向以后才决定用直线来连接这些点．

(4)统一单位：记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位．

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．

命题点一　教材原型实验

处理实验数据的方法

1．列表分析法：分析列表中弹簧拉力F与对应弹簧的形变量Δx的关系，可以先考虑F和Δx的乘积，再考虑F和Δx的比值，也可以考虑F和(Δx)2的关系或F和的关系等，结论：为常数．

2．图象分析法：作出F－Δx图象，如图2所示．此图象是过坐标原点的一条直线，即F和Δx成正比关系．

图2

作图的规则：

(1)要在坐标轴上标明轴名、单位，恰当地选取纵轴、横轴的标度，并根据数据特点正确确定坐标起点，使所作出的图象几乎占满整个坐标图纸．若弹簧原长较长，则横坐标起点可以不从零开始选择．

(2)作图线时，尽可能使直线通过较多坐标描点，不在直线上的点也要尽可能对称分布在直线的两侧(若有个别点偏离太远，则是因偶然误差太大所致，应舍去)．

(3)要注意坐标轴代表的物理量的意义，注意分析图象的斜率、截距的意义．

例1　某同学做“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验．

(1)图3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；

图3

(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)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____________________________．

答案　(1)6.93　(2)A　(3)钩码重力超过弹簧弹力范围

解析　(1)由题图乙知，读数为14.66 cm，所以弹簧伸长量为(14.66－7.73) cm＝6.93 cm；(2)若随意增减钩码，会使作图不方便，有可能会超出弹簧形变范围，所以应逐一增挂钩码，选项A正确；(3)由题图丙知AB段伸长量与弹力不成线性关系，是因为钩码重力超过弹簧弹力范围．

变式1　(2018·四川省攀枝花市一模)某同学用如图4所示的装置做“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验．他先读出不挂钩码时弹簧下端指针所指刻度尺的刻度，然后在弹簧下端挂上钩码，并逐个增加钩码，分别记录指针所指刻度尺的刻度，所得数据列表如下：

图4

(1)当在弹簧下端挂上3个钩码时，指针所示位置如图所示，请将上表补充完整．

(2)已知实验所用单个钩码质量为100 g，当地重力加速度为9.8 m/s2，则该弹簧的劲度系数为________ N/m.(结果保留3位有效数字)

答案　(1)13.00　(2)73.4

解析　(1)因为刻度尺的分度值为1 mm，故需要估读到0.1 mm，所以刻度尺的读数为130.0 mm＝13.00 cm

(2)根据胡克定律可得k＝＝ N/m≈73.4 N/m.

命题点二　创新实验——器材与方法的创新

本实验一般是在教材实验原理的基础上设计新情景进行考查，因此，要在教材实验的基础上注重迁移创新能力的培养，善于用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题.

例2　(2018·全国卷Ⅰ·22)如图5(a)，一弹簧上端固定在支架顶端，下端悬挂一托盘；一标尺由游标和主尺构成，主尺竖直固定在弹簧左边；托盘上方固定有一能与游标刻度线准确对齐的装置，简化为图中的指针．

图5

现要测量图(a)中弹簧的劲度系数．当托盘内没有砝码时，移动游标，使其零刻度线对准指针，此时标尺读数为1.950 cm；当托盘内放有质量为0.100 kg的砝码时，移动游标，再次使其零刻度线对准指针，标尺示数如图(b)所示，其读数为________cm.当地的重力加速度大小为9.80 m/s2，此弹簧的劲度系数为________N/m(保留3位有效数字)．

答案　3.775　53.7

解析　标尺的游标为20分度，精确度为0.05 mm，游标的第15个刻度与主尺刻度对齐，则读数为37 mm＋15×0.05 mm＝37.75 mm＝3.775 cm.

放入砝码后，弹簧伸长的长度x＝(3.775－1.950) cm＝1.825 cm，

由胡克定律知，mg＝kx，

所以劲度系数k＝＝ N/m≈53.7 N/m.

变式2　(2018·四川省第二次“联测促改”)某同学为研究橡皮筋伸长与所受拉力的关系，做了如下实验：

图6

①如图6所示，将白纸固定在制图板上，橡皮筋一端固定在O点，另一端A系一小段轻绳(带绳结)；将制图板竖直固定在铁架台上．

②将质量为m＝100 g的钩码挂在绳结上，静止时描下橡皮筋下端点的位置A0；用水平力拉A点，使A点在新的位置静止，描下此时橡皮筋下端点的位置A1；逐步增大水平力，重复5次……

③取下制图板，量出A1、A2、……各点到O的距离l1、l2、……；量出各次橡皮筋与OA0之间的夹角α1、α2……

④在坐标纸上做出－l的图象如图7.

图7

完成下列填空：

(1)已知重力加速度为g，当橡皮筋与OA0间的夹角为α时，橡皮筋所受的拉力大小为________(用g、m、α表示)．

(2)取g＝10 m/s2，由图可得橡皮筋的劲度系数k＝________ N/m，橡皮筋的原长l0＝________ m.

答案　(1)　(2)100　0.21

解析　(1)橡皮筋拉力沿竖直方向的分力大小等于钩码重力，Fcos α＝mg，F＝；

(2)根据胡克定律，F＝k(l－l0)，F＝，联立解得：＝l－，斜率为＝＝，解得k＝100 N/m；由题图可知，橡皮筋的原长l0＝0.21 m．

命题点三　拓展实验——探究弹簧的弹性势能

例3　(2016·全国卷Ⅱ·22)某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图8所示：轻弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打点计时器并与物块连接．向左推物块使弹簧压缩一段距离，由静止释放物块，通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能．

图8

(1)实验中涉及到下列操作步骤：

①把纸带向左拉直

②松手释放物块

③接通打点计时器电源

④向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量

上述步骤正确的操作顺序是________(填入代表步骤的序号)．

(2)图9中M和L纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打点结果．打点计时器所用交流电的频率为50 Hz.由M纸带所给的数据，可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为________m/s.比较两纸带可知，________(填“M”或“L”)纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大．

图9

答案　(1)④①③②　(2)1.29　M

解析　(1)根据该实验操作过程，正确步骤应为④①③②.

(2)物块脱离弹簧时速度最大，v＝＝ m/s＝1.29 m/s；由动能定理ΔEk＝mv2，据纸带中打点的疏密知M纸带获得的最大速度较大，对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能较大．

变式3　某同学利用下述装置对轻质弹簧的弹性势能进行探究：一轻质弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一小球接触而不固连．弹簧处于原长时，小球恰好在桌面边缘，如图10所示．向左推小球，使弹簧压缩一段距离后由静止释放，小球离开桌面后落到水平地面．通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能．

图10

回答下列问题：

(1)本实验中可认为，弹簧被压缩后的弹性势能Ep与小球抛出时的动能Ek相等．已知重力加速度大小为g.为求得Ek，至少需要测量下列物理量中的________(填选项前的字母)．

A．小球的质量m

B．小球抛出点到落地点的水平距离s

C．桌面到地面的高度h

D．弹簧的压缩量Δx

E．弹簧原长l0

(2)用所选取的测量量和已知量表示Ek，得Ek＝______________.

(3)图11中的直线是实验测量得到的s－Δx图线．从理论上可推出，如果h不变，m增加，s－Δx图线的斜率会________(填“增大”“减小”或“不变”)；如果m不变，h增加，s－Δx图线的斜率会______(填“增大”“减小”或“不变”)．由图中给出的直线关系和Ek的表达式可知，Ep与Δx的__________次方成正比．

图11

答案　(1)ABC　(2)　(3)减小　增大　二

解析　(1)小球离开桌面后做平抛运动，设桌面到地面的高度为h，小球抛出点到落地点的水平距离为s，则有h＝gt2，s＝v0t，解得v0＝＝s

所以Ek＝mv02＝.

由此可知需要测量的量有m、s、h，故选A、B、C.

(2)由(1)的解析知Ek＝.

(3)在Δx相同的情形下，弹簧的弹性势能相同，由Ep＝mv02可知：①在m增加时，速度v0减小，因而h不变时s减小，故s－Δx图线的斜率减小．

②m不变时，v0不变，h增加时，时间变长，s变大，故s－Δx图线的斜率增大．

由s－Δx图象可知，s正比于Δx，即s＝kΔx.

则Ep＝mv02＝＝Δx2＝k′Δx2

所以Ep与Δx的二次方成正比．

变式4　(2016·四川理综·8Ⅰ)用如图12所示的装置测量弹簧的弹性势能．将弹簧放置在水平气垫导轨上，左端固定，右端在O点；在O点右侧的B、C位置各安装一个光电门，计时器(图中未画出)与两个光电门相连．先用米尺测得B、C两点间距离s，再用带有遮光片的滑块压缩弹簧到某位置A，静止释放，计时器显示遮光片从B到C所用的时间t，用米尺测量A、O之间的距离x.

图12

(1)计算滑块离开弹簧时速度大小的表达式是________．

(2)为求出弹簧的弹性势能，还需要测量________．

A．弹簧原长 B．当地重力加速度

C．滑块(含遮光片)的质量

(3)增大A、O之间的距离x，计时器显示时间t将________．

A．增大  B．减小  C．不变

答案　(1)v＝　(2)C　(3)B

解析　(1)滑块离开弹簧后做匀速直线运动，v＝.

(2)根据功能关系可得，Ep＝mv2，则还需要测量滑块(含遮光片)的质量，选项C正确．

(3)增大A、O之间的距离x，弹簧的弹性势能增大，滑块离开弹簧后的速度增大，从B到C的时间t将减小，选项B正确．