第二章 实验二.doc

实验二　探究弹力和弹簧伸长的关系
考纲解读 1.学会用列表法、图象法等处理实验数据.2.探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系．

基本实验要求
规律方法总结
1．实验原理
弹簧受到拉力会伸长，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(见实验原理图)．
(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．实验数据处理方法
(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.

考点一　实验原理及误差分析
例1　如图1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．

图1
(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F－x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由于_____________________________________．
(4)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．依次在弹簧下端挂上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．
请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来：________.
解析　(1)根据实验原理可知还需要刻度尺来测量弹簧原长和形变量；(2)根据实验原理，实验中需要测量的物理量有弹簧的原长、弹簧挂不同个数的钩码时所对应的伸长量(或对应的弹簧长度)；(3)取图象中(0.5,0)和(3.5,6)两个点，代入F＝kx可得k＝200 N/m，由于弹簧自重的原因，使得弹簧不加外力时就有形变量．(4)根据完成实验的合理性可知先后顺序为CBDAEFG.
答案　(1)刻度尺　(2)弹簧原长、弹簧挂不同个数的钩码时所对应的伸长量(或对应的弹簧长度)　(3)200　弹簧自身存在重力　(4)CBDAEFG
考点二　实验过程及数据处理
例2　(2012·广东·34(2))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
Lx
L1
L2
L3
L4
L5
L6
数值(cm)
25.35
27.35
29.35
31.30
33.4
35.35
37.40
39.30
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2为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2
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/s2)．
解析　①悬挂法测量弹簧的弹力时，弹簧轴线和刻度尺应在竖直方向上，②当弹簧静止时，读出弹簧的原长，此时误差较小；表中数据L3与其他数据有效位数不同，所以数据L3不规范，由表格中的数据可知刻度尺的最小刻度为1 mm；③图象经过坐标原点，纵轴是砝码的质量，则横轴为与所挂砝码质量相对应的弹簧的伸长量，所以横轴是弹簧长度与Lx的差值．③由图象知，弹簧的劲度系数为k＝＝ N/m＝4.9 N/m，砝码盘的质量m＝＝0.01 kg＝10 g.
答案　①竖直　②静止　L3　1 mm　③Lx　④4.9　10

创新实验设计
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3所示．所挂钩码的重力相当于对弹簧提供了向右的恒定拉力．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．

图3
(1)有一个同学通过以上实验测量后把6组数据描点在坐标系图4中，请作出F－L图线．

图4
(2)由此图线可得出该弹簧的原长L0＝________ cm，劲度系数k＝________ N/m.
(3)试根据该同学以上的实验情况，帮助他设计一个记录实验数据的表格(不必填写其实验测得的具体数据)．
(4)该同学实验时，把弹簧水平放置与弹簧悬挂放置相比较，
优点在于：____________________________________________________________
缺点在于：_____________________________________________________________
解析　(1)F－L图线如图所示：

(2)弹簧的原长L0即弹力为零时弹簧的长度，由图象可知，L0＝5×10－2 m＝5 cm.
劲度系数为图象直线部分的斜率，k＝20 N/m.
(3)记录数据的表格如下表
次数
1
2
3
4
5
6
弹力F/N

弹簧的长

度L/(×10－2 m)

(4)优点是：可以避免弹簧自身重力对实验的影响．
缺点是：弹簧与桌面及绳子与滑轮间存在的摩擦会造成实验误差．
答案　(1)见解析图　(2)5　20　(3)、(4)见解析

8.用图象法处理实验数据

图象法是一种重要的实验数据处理方法．图象具有既能描述物理规律，又能直观地反映物理过程、表示物理量之间定性定量关系及变化趋势的优点．当前高考试题对数据处理、结果分析考查的频率较高．多省高考题涉及了图象的考查．
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，并根据数据特点适当确定坐标起点，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．
(2)作图线时，尽可能使直线通过较多所描的点，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．要理解斜率和截距的意义可以解决什么问题．
例4　某实验小组做“探究弹力与弹簧伸长量的关系”的实验．实验时，先把弹簧平放在桌面上，用直尺测出弹簧的原长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.
钩码个数
1
2
3
4
5
弹力F/N
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
弹簧的长度x/cm
7.0
9.0
11.0
13.0
15.0
(1)根据表中数据在图5中作出F－x图线；

图5
(2)由此图线可得，该弹簧劲度系数k＝________N/m；
(3)图线与x轴的交点坐标大于L0的原因是__________________________________．
解析　(1)用作图法研究弹簧的弹力与其伸长量的关系，由于实验误差，依据实验数据描出的点有时不会完全在一条直线上．这时所作直线应尽量多的通过这些点，并使不在直线上的点尽量均匀分布在所作直线两侧．明显与其他的点相差很远的点应该舍去．该题中所给出的数据恰好可以在一条直线上，所以直接描点由直尺作图即可．
(2)在弹性限度内，弹簧的弹力与弹簧的伸长量成正比．由ΔF＝kΔx得k＝，即图线的斜率为弹簧的劲度系数．
(3)由于弹簧有一定重量，将其自然悬挂时的长度与平放时的长度不一样，平放时稍短一些．量取L0时，应将弹簧一端固定在铁架台上的铁夹上，让其自然下垂，再用毫米刻度尺量得其自然状态下的原长．
答案　(1)如图所示

(2)50　(3)弹簧自身重力的影响

1．如图6甲所示，一个弹簧一端固定在传感器上，传感器与电脑相连．当对弹簧施加变化的作用力(拉力或压力)时，在电脑上得到了弹簧形变量与弹簧产生的弹力大小的关系图象，如图乙所示．则下列判断正确的是 (　　)

图6
A．弹簧产生的弹力和弹簧的长度成正比
B．弹簧长度的增加量与对应的弹力增加量成正比
C．该弹簧的劲度系数是200 N/m
D．该弹簧受到反向压力时，劲度系数不变
答案　BCD
解析　由题图乙可知F＝kx，即弹簧的弹力和弹簧的形变量成正比，不与弹簧长度成正比，A错误．由ΔF＝kΔx可知，B正确；由k＝＝ N/m＝200 N/m，C正确；F－x图线的斜率对应弹簧的劲度系数，x>0和x<0时的斜率相同，故D正确．
2．为了探究弹簧弹力F与弹簧伸长量x的关系，某同学选了A、B两根规格不同的弹簧进行测试，根据测得的数据绘出如图7所示的图象，从图象上看，该同学没能完全按实验要求做，使图象上端成为曲线，图象上端成为曲线是因为________________．B弹簧的劲度系数为__________．若要制作一个精确度较高的弹簧测力计，应选弹簧________(填A或B)．

图7
答案　拉力过大，超过了弹簧的弹性限度　100 N/m　A
解析　在弹簧的弹性限度以内，弹力与形变量是成正比的，图象上端出现弯曲是因为拉力过大，超过了弹簧的弹性限度．由胡克定律得x＝，则图线斜率的倒数等于弹簧的劲度系数，k＝＝100 N/m.精确度高意味着相同拉力下形变量大，相同刻度线下最小分度值小，故应选用劲度系数小的弹簧A.
3．我校同学们在研究性学习中，利用所学的知识解决了如下问题：一轻弹簧竖直悬挂于深度为h＝25.0 cm，且开口向下的小筒中(没有外力作用时弹簧的下部分位于筒内)，如图8甲所示，如果本实验的长度测量工具只能测量出伸出筒的下端部分弹簧的长度l，现要测出弹簧的原长l0和弹簧的劲度系数，同学们通过改变l而测出对应的弹力F，作出F—l的图线如图乙所示，则弹簧的劲度系数为k＝________ N/m，弹簧的原长l0＝________ m.

图8
答案　100 　0.15
4．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砝码．实验测出了砝码质量m与弹簧长度l的相应数据，其对应点已在图9上标出．(g＝9.8 m/s2)

图9
(1)在图9上作出m－l的关系图线；
(2)弹簧的劲度系数为__________ N/m(结果保留三位有效数字)．
答案　见解析
解析　(1)如图所示

(2)根据图象的斜率可以求得弹簧的劲度系数：Δmg＝kΔl，则k＝g＝×9.8 N/m＝0.261 N/m(在0.258 N/m～0.266 N/m之间均正确)
5．某同学利用弹簧测力计、小车、砝码、钩码、木块和带有定滑轮的长木板等器材探究滑动摩擦力Ff与正压力FN之间的关系，实验装置如图10所示．该同学主要的实验步骤如下：

图10
a．将一端带有定滑轮的长木板放在水平桌面上，在细绳一端挂适量的钩码，使其能够
带动小车向右运动；
b．多次改变木块上砝码的个数，并记录多组数据；
c．进行数据处理，得出实验结论．
请回答下列问题：
(1)实验中应测量木块和木块上砝码的总重力，并记录__________________________
________________________________________________________________________；
(2)若用图象法处理实验数据，以滑动摩擦力Ff为横轴，正压力FN为纵轴，建立直角坐标系，通过描点，得到一条倾斜的直线，该直线的斜率所表示的物理意义(可用文字描述)为________________；
(3)通过实验得出的结论是__________________________________________________
________________________________________________________________________.
答案　(1)弹簧测力计的示数　(2)动摩擦因数的倒数
(3)在误差允许的范围内，滑动摩擦力Ff与正压力FN成正比
解析　实验中应测量木块和木块上砝码的总重力，为小车受到的正压力；记录弹簧测力计的示数，该示数等于小车所受的滑动摩擦力Ff.由Ff＝μFN可知，FN－Ff图线的斜率所表示的物理意义为动摩擦因数的倒数，通过实验得出的结论是：在误差允许的范围内，滑动摩擦力Ff与正压力FN成正比．
6．在“探究弹力与弹簧伸长量的关系”的实验中，某实验小组将不同数量的钩码分别挂在竖直弹簧下端，进行测量，根据实验所测数据，利用描点法作出了所挂钩码的重力G与弹簧总长L的关系图象，如图11所示，根据图象回答以下问题：

图11
(1)弹簧的原长为__________．
(2)弹簧的劲度系数为________．
(3)分析图象，总结出弹簧弹力F与弹簧总长L之间的关系式为___________________．
答案　(1)10 cm　(2)1 000 N/m
(3)F＝1 000(L－0.10) N
解析　钩码的重力即等于其对弹簧的拉力，又根据胡克定律F＝kx＝k(L－L0)，所以图线在横轴上的截距表示弹簧的原长，斜率表示劲度系数，故L0＝10 cm，k＝N/m＝1 000 N/m，即F＝1 000(L－0.10) N.