实验：探究弹簧伸长量与弹力的关系.doc

1、实验：探究弹簧伸长量与弹力的关系一、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 12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 ，即为弹簧的Fx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、毫米刻度尺、钩码若干、坐标纸。四

2、、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 22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，x ll 0 表示弹簧的伸长量。1 2 3 4 5 6 7F/N 0l/cmx/cm 0五、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 32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，函数表达式中常数即为弹簧的劲

3、度系数，这个常数也可据 Fx 图线的斜率求解，k 。Fx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，但应注意一定要使各点均匀分布在直线的两侧。5记录数据时

4、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 实验原理及实验操作例 1 某同学探究弹簧伸长量与弹力的关系。(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 37.4

5、0 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 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/s2)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，

6、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 xLL x。(4)由胡克定律 Fk x 知， mgk(LL x)，即 mgkx，所以图线斜率即为 ，kg mx则弹簧的劲度系数 k N/m4.9 N/m 。mgx 60 1010 39.812 210 2同理砝码盘质量m kgkLx L0g 4.927.35 25.3510 29.80.01 kg10 g。答案 (1)竖直 (2) 静止 L3 1 mm (3) Lx(4)4.9 10要点 实验数据处理例 2 一位同学做“探究弹簧伸长量与弹力的关系”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/

7、N 0.5 1.0 1.5 2.0弹簧原来长度L0/cm15.0 15.0 15.0 15.0弹簧后来长度 L/cm 16.0 17.1 17.9 19.0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/N 0.5 1.0 1.5 2.0弹簧伸长量x/cm1.0 2.1 2.9 4.0(2)根据表格数据在 Fx 坐标图上描点，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

8、(2)中的 Fx 图线知，F 与 x 是正比例函数，设表达式为 Fkx，将 F0.5 N、x1.0 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 创新实验例 3 在“探究弹簧伸长量与弹力的关系，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。图 6(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 7 中，请作出 FL 图线。图 7(2)由此图

9、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)FL 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， L0510 2 m5 cm。劲度系数为图象直线部分的斜率，k20 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/(102 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

10、成实验误差。答案 (1)见解析图 (2)5 20 (3)、(4)见解析1下列关于“探究弹簧伸长量与弹力的关系”实验的说法中正确的是( )A实验中 k 的具体数值必须计算出来B如果没有测出弹簧原长，用弹簧长度 L 代替 x，F L 图线也是过原点的一条直线C利用 Fx 图线可求出 k 值D实验时要把所有点连到线上，才能探究得到真实规律解析 “探究弹簧伸长量与弹力的关系”实验中利用 Fx 图线可求出 k 值，但不一定要求解出 k 值，实验中用弹簧长度 L 代替 x，FL 图线不是过原点的一条直线，作图时绝大多数点通过直线，偏离较大的点应舍去。C 项对。答案 C2某同学做“探究弹簧伸长量与弹力的关系

11、”的实验，他先把弹簧平放在桌面上使其自然增长，用直尺测出弹簧的原长 L0，再把弹簧竖直悬挂起来，挂上钩码后测出弹簧伸长后的长度 L，把 LL 0 作为弹簧的伸长量 x。这样操作，由于弹簧自身重力的影响，最后画出的图线可能是( )解析 由于考虑弹簧自身重力的影响，当不挂钩码时，弹簧的伸长量 x0，所以选 C。答案 C3某同学用铁架台、弹簧、多个质量已知且相等的钩码做探究弹簧弹力和伸长量关系的实验，如图 8 甲所示。图 8(1)为了完成实验，还需要的器材有：_。(2)该同学发现由于三角形铁片，使得下端一小段弹簧没有被拉伸(如图乙所示)，这使得实验测得的劲度系数比整根弹簧实际的劲度系数_(选填“偏大

12、” “偏小”或“不变”)。解析 (1)实验需要测量弹簧伸长的长度，故需要刻度尺。(2)由于三角形铁片，使得下端一小段弹簧没有被拉伸，这使得实验测得的劲度系数比整根弹簧实际的劲度系数偏大。答案 (1)刻度尺 (2) 偏大4某同学在“探究弹簧伸长量与弹力的关系”时，安装好实验装置，让刻度尺零刻度与弹簧上端平齐，在弹簧下端挂 1 个钩码，静止时弹簧长度为 l1，如图 9 甲所示，图乙是此时固定在弹簧挂钩上的指针在刻度尺(最小分度是 1 毫米)上位置的放大图，示数l1_cm。在弹簧下端分别挂 2 个、3 个、 4 个、5 个相同钩码，静止时弹簧长度分别是 l2、l 3、l 4、l 5。已知每个钩码质量

13、是 50 g，挂 2 个钩码时，弹簧弹力F2_N(当地重力加速度 g9.8 m/s2)。要得到弹簧伸长量 x，还需要测量的是_，作出 Fx 曲线，得到弹力与弹簧伸长量的关系。图 9解析 由图乙可估读为 25.85 cm。挂 2 个钩码时，弹簧弹力等于钩码的重力，即F22mg 0.98 N。由于弹簧伸长量等于弹簧现在的长度减去弹簧原长，因此要得到伸长量，还需要测量弹簧原长。答案 25.85 0.98 弹簧原长图 105在“探究弹簧伸长量与弹力关系”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，根

14、据图象回答以下问题。(1)弹簧的原长为_cm。(2)弹簧的劲度系数为_N/m 。(3)分析图象，总结出弹力 F 跟弹簧长度 L 之间的关系式为_。(L 用 m 为单位)解析 (1)当所挂钩码的重力为零时，弹簧的长度即为原长，由题图可知，弹簧的原长为 10 cm。(2)弹簧的劲度系数k N/m1 000 N/m。Fx Fx 40 014 1010 2(3)Fkxk(LL 0)1 000(L0.10) N答案 (1)10 (2)1 000 (3)F1 000(L0.10) N6某同学做“探究弹簧伸长量与弹力的关系”的实验。图 11(1)图 11 甲是不挂钩码时弹簧下端指针所指的标尺刻度，其示数为

15、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 l 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)图丙是该同学描绘的弹簧的伸长量 l 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)由题图乙标尺刻度可知示数 l214.66 cm， ll 2l 16.93 cm。(2)为防止弹簧超出弹性限度，应逐渐增

16、加钩码的重量，故选 A。(3)由图知 AB 段伸长量与弹力不成线性关系，主要原因是钩码重力超出弹簧的弹性限度。答案 (1)6.93 (2)A (3)超出弹簧的弹性限度7某同学用如图 12 甲所示的装置做“探究弹簧伸长量与弹力的关系”的实验。他先测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，分别测出指针所指刻度尺的刻度，所得数据列表如下(g 取 10 m/s2)：图 12钩码质量 m/g0 100 200 300 400 500 600 700刻度尺的刻度x/cm11.70 13.40 15.10 16.85 18.60 20.30 22.10 24.05(1)根据所测数据，在坐标纸图乙上画出弹簧指针所指刻度尺的刻度 x 与钩码质量 m 的关系图线。(2)根据 xm 图线可计算出，该弹簧的劲度系数为_N/m。(结果保留 3 位有效数字)解析 (1)描点作图，如图所示：(2)由图线可知弹簧的劲度系数为k N/m58.3 N/m。Fx mgx 70.24 0.12答案 (1)见解析图 (2)58.3(56.558.5)