资源简介

探究弹簧伸长量与所受拉力的关系实验创新教学设计
一、使用教材
本实验是人教版初中物理八年级下册第七章第二节《弹力》中的内容。
二、实验器材
(
弹簧
A
弹簧
B
弹簧
C
弹簧
D
弹簧
E
“探究弹簧伸长量与所受拉力的关系”演示仪
)
图1 自制弹簧伸长量与拉力定量关系实验器实物图
如图1所示为自制探究弹簧伸长量与拉力定量关系的实验装置，实验装置包括：拉伸弹 簧3个、压缩弹簧2个、力传感器5个、位移传感器1对、拉杆、固定旋钮和滑轨。
三、实验改进要点
1.教师利用自制实验器材探究弹簧伸长量和所受拉力的关系，实验装置利用数字传感器 去测量弹簧拉力和弹簧伸长量，使得学生操作和数据处理更加简便。
2.将弹簧水平放置，减小了弹簧自身重力对实验的影响。
3.为了得到普遍规律，自制教具设置了可一次性探究多个弹簧的拉杆装置，避免因反复 操作导致实验效率低的问题。
4.装置创新性设计并探究当弹簧超出弹性限度时，弹簧的伸长量与所受拉力的关系。 5.装置设计两组压缩弹簧，可作为拓展实验去探究弹簧压缩量与所受压力的关系。
四 、实验设计思路
根据对传统实验过程的思考，对实验做进一步的改进：
如图2所示为装置模型图，将力传感器固定于木板一侧，弹簧一端与力传感器相连，另 一端与硬棒相连，硬棒穿过固定螺母，螺母固定在底座上，底座通过上下两根滑轨左右移动， 从而拉伸弹簧。上端滑轨安装位移传感器，能够测得相应拉力下的伸长量。通过旋紧固定螺 母选择某一弹簧进行研究，也可以旋紧几颗固定螺母同时研究。弹簧C 、D 为压缩弹簧，可 供学生进行探究弹簧压缩量与其所受压力的关系的拓展实验。
(
位移
接收器
滑轨
-
WW-
分固定螺母
-
WM-
B
W
C
000000
D
1000000
E
力传感器
弹簧
硬棒
固定硬棒与滑杆
滑杆
拉伸或压缩弹簧
总固定螺母
固定滑杆
位移
发射器
亚克力管
位移零点
O
)
图2实验装置模型图
五、实验教学目标
基于核心素养下的教学目标：
1.物理观念：知道弹簧测力计的工作原理，形成对物体受力与形变关系的科学认知和正 确的相互作用观念。
2.科学思维：从物理学视角认识客观事物的内在规律及相互关系，初步建构基本的弹簧 物理模型，培养提出创造性见解的能力与品格。
3.科学探究：通过探究弹簧伸长量与所受拉力关系，掌握实验操作、数据分析与处理的 基本方法，提升科学探究能力。
4.科学态度和责任：能基于实验事实发表自己的见解与猜想，养成实事求是的科学素养， 增强与人交流合作能力。
六、实验教学内容
(一)课标分析
2022版义务教育物理课程标准对本内容的要求为“认识弹簧测力计，能正确使用弹簧 测力计感受和测量力”。学生要正确认识和使用弹簧测力计的前提是知道弹簧测力的工作原 理，了解弹簧测力计的构造。同时，课标指出“义务教育物理课程应与小学科学和高中物理 课程相衔接”和“测量类实验教学应引导学生了解测量原理”,探究弹簧伸长量与所受拉力 关系为了解弹簧测力计工作原理的拓展实验，既是对小学科学中弹簧测力计认识和使用的升 华，也能与高中胡克定律紧密衔接。
(二)教学内容分析
探究弹簧伸长量与拉力关系的实验是人教版八年级下册第七章第2节《弹力》中的拓展 实验。弹簧测力计是力学中常用的基本测量工具，对于认识弹力、重力、摩擦力、浮力等概 念具有重要意义，弹簧测力计的原理是认识弹簧测力计的基础，也是对弹性知识和弹力知识 的具体应用。在教材中，对于弹簧测力计的原理仅有文字叙述，在日常教学中，大部分教师 会选择弹簧下端挂钩码的实验来探究弹簧伸长量与所受拉力的关系。
(三)学情分析
1.知识角度：在学习本节课之前，学生已经学习了力的作用效果、力的三要素等知识， 为本节的学习打下了基础。
2.能力角度：八年级学生已初步具备观察实验、分析实验的能力，能够对实验数据进行
简单处理，但学生难以对定量实验中的数据进行有效分析，需要教师加强引导。
(四)教学重点难点
1.教学重点：通过实验和理论探究弹簧伸长量与所受拉力成正比的定量关系； 2.教学难点：引导学生在探究过程中认真观察、分析数据，得出科学结论。
(五)传统实验
1.传统实验设计思路
传统实验如图3所示，将弹簧竖直悬挂在铁架台上，在弹簧下端挂上钩码，用钩码产生 拉力，将钩码重力大小作为拉力大小。用刻度尺测量出弹簧的原长和拉伸后的总长度，用总 长度减去原长从而计算伸长量，改变钩码的个数，得到多组数据，对数据进行处理从而得出 弹簧弹力与形变量间的关系。
图3传统实验
2.传统实验存在的不足
(1)实验数据采集麻烦，数据处理步骤繁琐。
(2)难以反映弹簧超出弹性限度时伸长量和拉力的关系。
(3)无法实现探究弹簧压缩量与所受压力关系的拓展实验。
(4)实验耗时较长，影响课堂效率。
(六)实验改进
为了解决传统实验的不足，我们对该实验装置进行了改进：
1.进行数字化改进，用DISLab 力传感器代替钩码产生拉力，用位移传感器显示弹簧长 度的变化，既能直接显示数据值的大小，还可以传输到计算机进行进一步的自动化数据分析 处理。
2.将竖直放置的弹簧改为水平放置，可实现拉伸弹簧和压缩弹簧两种实验探究。
3.一次操作可以同时拉伸多根弹簧，得到多组数据，减少了实验次数，有利于提高课堂 效率。
4.补充了一组弹性限度较小的弹簧，专门用于探究超出弹性限度时，弹簧伸长量与拉力 大小的关系，与前面的数据进行对比。
5.在装置中增加两组压缩弹簧，用于拓展探究弹簧压缩量与弹力大小的关系。
七、实验教学过程
(一)提出问题
弹簧测力计的工作原理是什么
(二)设计实验
学生用传统的实验仪器定量探究弹簧的伸长量与所受拉力的关系后，教师用力传感器测 量弹簧受到的拉力，并改变拉力大小，用位移传感器测量出对应的弹簧伸长量，然后通过计
算机对数据进行分析和处理，得出结论。
(三)实验方法
本实验主要采用了探究法
(
弹簧
A
弹簧
B
弹簧
C
弹簧
D
弹簧巨
“探究弹簧伸长量与所受拉力的关系”演示仪
)
图 4 实 验 装 置
(四)实验步骤
1.组装好实验器材，将力传感器和位移传感器接入电脑、打开DISLab 配套软件，添加 计算表格，准备开始实验。
2.选取需要弹簧，拧紧固定旋钮，将对应的木棒固定在拉杆上，用不同的力拉弹簧，同 时在软件中采集并记录数据。
3.实验操作结束，将滑杆拉回原位，松开固定旋钮，关闭传感器。
4.观察、分析获取的数据，以F 拉为纵坐标，△l 为横坐标去绘制分散点(描点),再拟合 F 拉与△I的关系图象(作图),得出结论。
(五)实验数据
学生利用传统探究实验数据如图5所示：
钩码个数/n 0 1 2 3 4 5 6 7
施加的拉力F拉/N 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3.5
弹簧长度l/cm
伸长量△l/cm
图5学生所测实验数据
从数据可以得出定性结论：当弹簧受到的拉力越大，弹簧的伸长量越大。再进一步分析： 当拉力F 从0.5N变为1N 时，变为原来的2倍时，伸长量△I从2.50cm变为4.70cm, 大致 也变为原来的2倍，当拉力F 从 1N 变为3N 时，变为原来的3倍时，伸长量△I从2.50cm 变为6.85cm, 大致也变为原来的3倍，由此可猜想F 拉与△可能成正比，为了验证猜想，在 坐标纸中以△I为横坐标，F 拉为纵坐标进行描点，再作出F 拉与△的关系图象：
(
个拉力
F/N
1.5
0.5
伸长量△Al/cm
)
图6学生实验数据图像
如图6所示，F 拉与Al的图像是一条近似过原点的倾斜直线，由此可以初步得到该弹簧伸长 量与所受拉力成正比。
(
通用
)为了得到普遍规律，要更换不同的弹簧多次进行实验，教师将利用自制教具进行拓展探究， 同时拉伸3根不同的弹簧，进行演示实验。实验数据图像如图7所示。
软件8.0 计算表格控制 (
.00℃
0.0
)
计算表格 SI F2 F3 F4
1 0.0 -0.02 0.00 0.00
新建 打 开 2 0.0 -0.02 0.00 0.01
EXCE 保存
3 5.4 1.36 0.68 5.09
(x)变量 公式
4 7.1 1.78 0.87 6.79
自动记示 D 5 8.0 2.09 1.01 8.1l
6 9.2 2.36 1.14 9.15
间隔：0.1s 米样条件：米集600杪
7 10.3 2.67 1.27 10.44
手动记录 击记录 8 11.8 2.97 1.40 11.45
9 13.4 3.37 1.58 12.96
数据分析 求平均 绘图 10 14.8 3.71 1.75 14.00
11 16.2 4.04 1.89 14.86
12 17.6 4.41 2.07 15.48
13 18.6 4.66 2.17 1592
14 19.8 4.92 2.30 16.23
15 20.5 5.11 2.38 16.35
16 21.0 5.26 2.45 16.50
17 21.5 5.38 2.50 16.61
图7教师所测三组弹簧的实验数据
在配套软件中以△I为横坐标，F 拉为纵坐标绘制弹簧A 、B 、C的分散点(描点),再分别 线性拟合F 拉与△I的关系图象(作图)如图8所示：
图8弹簧A 、B 、C实验数据拟合图象
其中绿色图象为弹簧A 的拟合图象、蓝色图象为弹簧B 的拟合图象，红色图象为弹簧 C 的拟合图象，通过图象可知，弹簧A 、B 的伸长量与所受拉力都成正比，而弹簧C 当所 受拉力超过一定值时，其伸长量与所受拉力不再成正比，同时可观察到撤去外力后，弹簧C 不能恢复原状(如图9、图10所示),则弹簧C 已经超过了弹性限度，则说明在弹性限度 外，弹簧的伸长量与它所受拉力成不正比。
图 9 弹 簧C 实验前 图10弹簧C 实验后
(六)实验结论
综上可得到实验结论为：在弹性限度内，弹簧的伸长量与它所受拉力成正比。
由于弹簧的拉力可以影响弹簧的伸长量，因此也可以反过来通过弹簧的伸长量来反映拉 力的大小。将弹簧的上端连上吊环弹簧的下端连上指针和挂钩，装上刻度盘，这样就变成了 可以用来测量力的大小的工具，弹簧测力计。因此，弹簧测力计的原理就是在弹性限度内， 弹簧的伸长量与它所受拉力成正比，通过弹簧的伸长量来反映拉力的大小实质就是通过力的 作用效果来反应力的大小。
(七)实验拓展
除了弹簧测力计中使用的拉斯弹簧外，生活中还有许多常见的压缩弹簧吗，例如按动笔 中的压缩弹簧，利用本仪器可拓展探究弹簧的压缩量与所受压力的关系。将滑杆拉至右侧， 拧紧弹簧D 、E 的固定螺母，用手按压弹簧，待数据稳定后记录数据。再利用计算机对数据 进行处理后，可得到在弹性限度内，弹簧的压缩量与所受压力成正比。
● 弹簧D· 弹簧E —线性(弹簧D) — 线性(弹簧E) 图11 弹簧D 、E 实验数据图像
八、实验效果评价
1.数字化实验，操作简便，数据直观。
2.可同时拉伸或压缩多根弹簧，有效提高课堂效率。
3.能形象直观地反映超出弹性限度后弹簧弹力的变化规律，降低了学生的思维难度。
4.填补了学生直接从定性关系到弹簧测力计构造的思维空白，源于教材，又高于教材。

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