2019版高考物理必考實(shí)驗(yàn)精細(xì)精講 實(shí)驗(yàn)二 探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系學(xué)案.doc

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2019版高考物理必考實(shí)驗(yàn)精細(xì)精講 實(shí)驗(yàn)二 探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系學(xué)案 目錄 課前預(yù)習(xí)基礎(chǔ)落實(shí) 課堂互動(dòng)考點(diǎn)突破 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 1．探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)的定量關(guān)系。 2．學(xué)會(huì)用列表法和圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 【實(shí)驗(yàn)原理】 1．如圖實(shí)Ⅱ－1所示，在彈簧下端懸掛鉤碼時(shí)彈簧會(huì)伸長(zhǎng)，平衡時(shí)彈簧產(chǎn)生的彈力與所掛鉤碼的重力大小相等。 2．彈簧的長(zhǎng)度可用刻度尺直接測(cè)出，伸長(zhǎng)量可以由拉長(zhǎng)后的長(zhǎng)度減去彈簧原來(lái)的長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。這樣就可以研究彈簧的彈力和彈簧伸長(zhǎng)量之間的定量關(guān)系了。 【實(shí)驗(yàn)器材】 鐵架臺(tái)、彈簧、毫米刻度尺、鉤碼若干、三角板、坐標(biāo)紙、重垂線、鉛筆。 【實(shí)驗(yàn)過(guò)程】 一、實(shí)驗(yàn)步驟 1．將彈簧的一端掛在鐵架臺(tái)上，讓其自然下垂，用刻度尺測(cè)出彈簧自然伸長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)的長(zhǎng)度l0，即原長(zhǎng)。 2．如圖實(shí)Ⅱ－2所示，在彈簧下端掛質(zhì)量為m1的鉤碼，量出此時(shí)彈簧的長(zhǎng)度l1，記錄m1和l1，填入自己設(shè)計(jì)的表格中。 3．改變所掛鉤碼的質(zhì)量，量出對(duì)應(yīng)的彈簧長(zhǎng)度，記錄m2、m3、m4、m5和相應(yīng)的彈簧長(zhǎng)度l2、l3、l4、l5，并得出每次彈簧的伸長(zhǎng)量x1、x2、x3、x4、x5。 二、數(shù)據(jù)處理 1．以彈力F(大小等于所掛鉤碼的重力)為縱坐標(biāo)，以彈簧的伸長(zhǎng)量x為橫坐標(biāo)，用描點(diǎn)法作圖。連接各點(diǎn)，得出彈力F隨彈簧伸長(zhǎng)量x變化的圖線。 2．以彈簧的伸長(zhǎng)量為自變量，寫(xiě)出曲線所代表的函數(shù)。首先嘗試一次函數(shù)，如果不行則考慮二次函數(shù)。 3．得出彈力和彈簧伸長(zhǎng)之間的定量關(guān)系，解釋函數(shù)表達(dá)式中常數(shù)的物理意義。 【誤差分析】 1．彈簧拉力大小的不穩(wěn)定會(huì)造成誤差。因此，使彈簧的懸掛端固定，另一端通過(guò)懸掛鉤碼來(lái)充當(dāng)對(duì)彈簧的拉力，待穩(wěn)定后再讀數(shù)可以提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度。 2．彈簧長(zhǎng)度的測(cè)量，是本實(shí)驗(yàn)的主要誤差來(lái)源。所以，測(cè)量時(shí)盡量精確地測(cè)量彈簧的長(zhǎng)度。 【注意事項(xiàng)】 1．所掛鉤碼不要過(guò)重，以免彈簧被過(guò)分拉伸，超出它的彈性限度，要注意觀察，適可而止。 2．每次所掛鉤碼的質(zhì)量差盡量大一些，從而使坐標(biāo)上描的點(diǎn)盡可能稀，這樣作出的圖線更精確。 3．測(cè)彈簧長(zhǎng)度時(shí)，一定要在彈簧豎直懸掛且處于平衡狀態(tài)時(shí)測(cè)量，以免增大誤差。 4．描點(diǎn)畫(huà)線時(shí)，所描的點(diǎn)不一定都落在一條曲線上，但應(yīng)注意一定要使各點(diǎn)均勻分布在曲線的兩側(cè)。 5．記錄數(shù)據(jù)時(shí)要注意彈力及彈簧伸長(zhǎng)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系及單位。 課堂互動(dòng)考點(diǎn)突破 考點(diǎn)一　實(shí)驗(yàn)原理與操作 [例1]　 (臨沂模擬)如圖實(shí)Ⅱ－3甲所示，用鐵架臺(tái)、彈簧和多個(gè)已知質(zhì)量且質(zhì)量相等的鉤碼探究在彈性限度內(nèi)彈簧彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系。 (1)為完成實(shí)驗(yàn)，還需要的實(shí)驗(yàn)器材有________________。 (2)實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的物理量有__________________________________________。 (3)圖實(shí)Ⅱ－3乙是彈簧彈力F與彈簧伸長(zhǎng)量x的F－x圖線，由此可求出彈簧的勁度系數(shù)為_(kāi)_______ N/m。圖線不過(guò)原點(diǎn)的原因是由于____________________________________。 (4)為完成該實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟如下： A．以彈簧伸長(zhǎng)量為橫坐標(biāo)，以彈力為縱坐標(biāo)，描出各組(x，F(xiàn))對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，并用平滑的曲線連接起來(lái)； B．記下彈簧不掛鉤碼時(shí)其下端的刻度尺上的刻度l0； C．將鐵架臺(tái)固定于桌子上，并將彈簧的一端系于橫梁上，在彈簧附近豎直固定一把刻度尺； D．依次在彈簧下端掛上1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)…鉤碼，并分別記下鉤碼靜止時(shí)彈簧下端所對(duì)應(yīng)的刻度，并記錄在表格內(nèi)，然后取下鉤碼； E．以彈簧伸長(zhǎng)量為自變量，寫(xiě)出彈力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系式。首先嘗試寫(xiě)成一次函數(shù)，如果不行，則考慮二次函數(shù)； F．解釋函數(shù)表達(dá)式中常數(shù)的物理意義； G．整理儀器。 請(qǐng)將以上步驟按操作的先后順序排列出來(lái)：________。 [解析]　 (1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可知還需要刻度尺來(lái)測(cè)量彈簧原長(zhǎng)和形變量； (2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的物理量有彈簧的原長(zhǎng)、彈簧所受外力與對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)量(或與彈簧對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度)； (3)取圖象中(0.5，0)和(3.5，6)兩個(gè)點(diǎn)，代入F＝kx可得k＝200 N/m，由于彈簧自重的影響，使得彈簧不加外力時(shí)就有形變量。(4)根據(jù)完成實(shí)驗(yàn)的合理性可知先后順序?yàn)镃BDAEFG。 [答案]　(1)刻度尺　(2)彈簧原長(zhǎng)、彈簧所受外力與對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)量(或與對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度)　(3)200　彈簧自重　(4)CBDAEFG 規(guī)律總結(jié) ①實(shí)驗(yàn)中要選取輕彈簧，盡可能減小彈簧重力產(chǎn)生的影響。 ②根據(jù)胡克定律，彈簧的彈力與彈簧的伸長(zhǎng)量成正比，因而實(shí)驗(yàn)中需做F－x圖象，其中x為彈簧的伸長(zhǎng)量。 針對(duì)訓(xùn)練： 1．(1)在“探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，以下說(shuō)法正確的是（ ） A．彈簧被拉伸時(shí)，不能超出它的彈性限度 B．用懸掛鉤碼的方法給彈簧施加拉力，應(yīng)保證彈簧位于豎直位置且處于平衡狀態(tài) C．用直尺測(cè)得彈簧的長(zhǎng)度即為彈簧的伸長(zhǎng)量 D．用幾個(gè)不同的彈簧，分別測(cè)出幾組拉力與伸長(zhǎng)量，得出拉力與伸長(zhǎng)量之比相等 (2)某同學(xué)做“探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)，他先把彈簧平放在桌面上使其自然伸長(zhǎng)，用直尺測(cè)出彈簧的原長(zhǎng)L0，再把彈簧豎直懸掛起來(lái)，掛上鉤碼后測(cè)出彈簧伸長(zhǎng)后的長(zhǎng)度L，把L－L0作為彈簧的伸長(zhǎng)量x，這樣操作，由于彈簧自身重力的影響，最后畫(huà)出的圖線可能是圖中的（ ） 解析　(1)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)以所研究的一根彈簧為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在彈性限度內(nèi)通過(guò)增減鉤碼的數(shù)目來(lái)改變對(duì)彈簧的拉力，以探索彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系，并且拉力和重力平衡，所以選A、B。 (2)由于考慮彈簧自身重力的影響，當(dāng)不掛鉤碼時(shí)，彈簧的伸長(zhǎng)量x>0，所以選C。 答案　(1)AB　(2)C 考點(diǎn)二　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理 [例2]　 (浙江理綜)在“探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系”時(shí)，某同學(xué)把兩根彈簧如圖實(shí)Ⅱ－4連接起來(lái)進(jìn)行探究。 (1)某次測(cè)量如圖實(shí)Ⅱ－5所示，指針示數(shù)為_(kāi)_____cm。 (2)在彈性限度內(nèi)，將50 g的鉤碼逐個(gè)掛在彈簧下端，得到指針A、B的示數(shù)LA和LB如表所示。用表中數(shù)據(jù)計(jì)算彈簧Ⅰ的勁度系數(shù)為_(kāi)_______N/m(重力加速度g＝10 m/s2)。由表中數(shù)據(jù)________(填“能”或“不能”)計(jì)算出彈簧Ⅱ的勁度系數(shù)。 [解析]　(1)刻度尺最小分度為0.1 cm，讀數(shù)時(shí)需估讀到0.01 cm。 (2)表中對(duì)LA的測(cè)量有四組數(shù)據(jù)，應(yīng)采用逐差法計(jì)算增加一個(gè)鉤碼時(shí)彈簧Ⅰ增加的長(zhǎng)度。 L0＝＝0.04 m 故k＝＝12.5 N/m 通過(guò)計(jì)算LB－LA可得出A、B兩指針間的距離，進(jìn)而計(jì)算出增加一個(gè)鉤碼時(shí)彈簧Ⅱ增加的長(zhǎng)度，從而計(jì)算出其勁度系數(shù)。 [答案]　(1)15.95～16.05(有效數(shù)字位數(shù)正確) (2)(12.20～12.80均可)　能 針對(duì)訓(xùn)練： 2．某實(shí)驗(yàn)小組在探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系時(shí)，先把彈簧平放在桌面上，用刻度尺測(cè)出彈簧的原長(zhǎng)L0＝4.6 cm，再把彈簧豎直懸掛起來(lái)，在下端掛鉤碼，每增加一個(gè)鉤碼均記下對(duì)應(yīng)的彈簧長(zhǎng)度x，數(shù)據(jù)記錄如下表所示。 (1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖實(shí)Ⅱ－6中作出F－x圖線； (2)由此圖線可得，該彈簧勁度系數(shù)k＝________N/m； (3)圖線與x軸的交點(diǎn)坐標(biāo)大于L0的原因是________________________________。 答案　(1)如圖所示 (2)50　(3)彈簧自身重力的影響 考點(diǎn)三　創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差來(lái)自彈簧的重力，所以改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的思路應(yīng)該是盡可能減小彈簧自身重力的影響。 1．可以是將彈簧穿過(guò)一根水平光滑的桿，在水平方向做實(shí)驗(yàn)。 2．利用計(jì)算機(jī)及傳感器技術(shù)，將彈簧水平放置，且一端固定在傳感器上，傳感器與計(jì)算機(jī)相連，對(duì)彈簧施加變化的作用力(拉力或推力)時(shí)，計(jì)算機(jī)上得到彈簧彈力和彈簧形變量的關(guān)系圖象(如圖實(shí)Ⅱ－7甲、乙所示)，分析圖象得出結(jié)論。 [例3]　 (重慶質(zhì)檢)某同學(xué)在研究性學(xué)習(xí)中，利用所學(xué)的知識(shí)解決了如下問(wèn)題：一輕彈簧一端固定于某一深度為h＝0.25 m、且開(kāi)口向右的小筒中(沒(méi)有外力作用時(shí)彈簧的另一部分位于筒內(nèi))，如圖實(shí)Ⅱ－8甲所示，如果本實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)度測(cè)量工具只能測(cè)量出距筒口右端彈簧的長(zhǎng)度l，現(xiàn)要測(cè)出彈簧的原長(zhǎng)l0和彈簧的勁度系數(shù)，該同學(xué)通過(guò)改變掛鉤碼的個(gè)數(shù)來(lái)改變l，作出F－l變化的圖線如圖實(shí)Ⅱ－8乙所示。 (1)由此圖線可得出的結(jié)論是________； (2)彈簧的勁度系數(shù)為_(kāi)_______ N/m，彈簧的原長(zhǎng)l0＝________ m； (3)該同學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，把彈簧水平放置與彈簧懸掛放置相比較，優(yōu)點(diǎn)在于________；缺點(diǎn)在于________。 [解析]　(1)在彈性限度內(nèi)，彈力與彈簧的伸長(zhǎng)量成正比。 (2)由ΔF＝kΔx和乙圖可知：(30－10)＝k2010－2 所以k＝100 N/m 由乙圖可知F＝20 N時(shí)，l＝10 cm＝0.1 m， 所以20＝k(0.1＋0.25－l0)， 即l0＝0.15 m。 (3)優(yōu)點(diǎn)是避免彈簧自身重力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，缺點(diǎn)是彈簧與筒及繩子與滑輪間存在的摩擦?xí)斐蓪?shí)驗(yàn)誤差。 [答案]　見(jiàn)解析