2026届高考物理一轮复习:第二章 实验二 探究弹簧弹力与形变量的关系(学案 讲义,共2份)

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2026届高考物理一轮复习:第二章 实验二 探究弹簧弹力与形变量的关系(学案 讲义,共2份)

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实验二 探究弹簧弹力与形变量的关系
原理装置图 操作要求 注意事项
平衡时弹簧产生的弹力和外力大小相等 1.将弹簧的一端挂在铁架台上,让其自然下垂,用刻度尺测出弹簧自然长度l0,即原长。 2.如图所示,在弹簧下端挂质量为m1的钩码,测出此时弹簧的长度l1,记录m1和l1,得出弹簧的伸长量x1,将这些数据填入自己设计的表格中。 3.改变所挂钩码的质量,测出对应的弹簧长度,记录m2、m3、m4、m5和相应的弹簧长度l2、l3、l4、l5,并得出每次弹簧的伸长量x2、x3、x4、x5。 1.操作:弹簧竖直悬挂,待钩码静止时测出弹簧长度。 2.作图:坐标轴标度要适中,单位要标注,连线时要使各数据点均匀分布在图线的两侧,明显偏离图线的点要舍去。 3.适量:弹簧下端所挂钩码不要太多以免伸长量超出弹性限度。 4.多测:要使用轻质弹簧尽可能多测几组数据。 5.统一:弹力及伸长量对应关系及单位应统一。
数据 处理 1.列表法:将实验数据填入表中,研究测量的数据,可发现在实验误差允许的范围内,弹力与弹簧伸长量的比值不变。 2.图像法:根据测量数据,在建好直角坐标系的坐标纸上描点。以弹簧的弹力F为纵轴,弹簧的伸长量x为横轴,根据描点的情况,作出一条经过原点的倾斜直线。
考点一 教材原型实验
作图处理数据的规则
(1)要在坐标轴上标明代表的物理量符号、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,使所作出的图像尽可能占满整个坐标图纸。若弹簧原长较长,则横坐标的起点可以不从零开始。
(2)作图线时,尽可能使直线通过较多的点,不在直线上的点也要尽可能均匀分布在直线的两侧(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,注意分析图像的斜率、截距的意义。
角度 实验原理及操作
例1 (2025·安徽黄山高三期末)某同学在做探究弹力和弹簧伸长量的关系的实验中,设计了如图甲所示的实验装置。
(1)在实验中,以下说法正确的是    (填正确答案标号)。
A.弹簧被拉伸时,不能超出它的弹性限度
B.用悬挂钩码的方法给弹簧施加拉力,应保证弹簧位于竖直位置且处于平衡状态
C.用直尺测得弹簧的长度即为弹簧的伸长量
D.用几个不同的弹簧,分别测出几组拉力与伸长量,得出拉力与伸长量之比相等
(2)如图乙所示,是探究某根弹簧的伸长量x与所受拉力F之间的关系图,由图可知,弹簧的劲度系数是   N/m。
(3)该同学用此弹簧制作成一弹簧测力计,丙图所示为某次测力时的示数,指针位置表示力的大小为    N。
答案 (1)AB (2)300 (3)1.75(1.73~1.77均对)
解析 (1)弹簧被拉伸时,不能超出它的弹性限度,否则弹簧会损坏,故A正确;用悬挂钩码的方法给弹簧施加拉力,要保证弹簧位于竖直位置,使钩码的重力等于弹簧的弹力,要待钩码平衡时再读数,故B正确;弹簧的长度不等于弹簧的伸长量,伸长量等于弹簧的长度减去原长,故C错误;用几个不同的弹簧,分别测出几组拉力与伸长量,得出每组的弹力与形变量之比不相等,故D错误。
(2)根据胡克定律F=kx,可知图像的斜率等于弹簧的劲度系数,由图像求出弹簧的劲度系数为k= N/m=300 N/m。
(3)弹簧测力计的最小分度值为0.1 N,指针在1.7与1.8之间,故读数为1.75 N。
角度 数据处理及误差分析
例2 (2025·湖南长沙模拟)某同学采用图甲所示装置探究弹簧弹力与伸长量的关系,安装好实验装置,让刻度尺与弹簧平行放置,弹簧下端连有水平指针。实验时,在弹簧下端逐个加挂钩码,静止时,记下钩码个数及指针所指刻度L,填入表格如下。
n 1 2 3 4 5 6
Ln/cm 25.85 27.84 29.65 31.78 33.9 36.02
请回答下列问题∶
(1)表中有一个数值记录不规范,这是挂    个钩码时的读数。
(2)为减小误差,采用逐差法计算弹簧伸长量。利用ΔLn=Ln+3-Ln(n=1,2,3)计算弹簧的伸长量,则有ΔL1=5.93 cm,ΔL2=6.06 cm,ΔL3=6.37 cm,伸长量的平均值ΔL==    cm。
(3)实验中,每个钩码的质量均为m=50.0 g,g取9.8 m/s2,该弹簧的劲度系数为    N/m(结果保留3位有效数字)。
(4)图乙是该同学根据另一次实验数据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)5 (2)6.12 (3)24.0 (4)所挂钩码过多,导致弹簧超过了弹性限度
解析 (1)根据表格中数据可知,刻度尺的精度为0.1 cm,读数时,若单位为cm,则需要保留两位小数,可知表中挂5个钩码时的读数不规范。
(2)伸长量的平均值ΔL= cm=6.12 cm。
(3)结合上述,采用逐差法计算弹簧伸长量。计算弹簧的伸长量是利用表达式ΔLn=Ln+3-Ln(n=1,2,3)可知,该伸长量对应的弹力等于三个钩码的重力,根据胡克定律有3mg=kΔL
结合上述解得k≈24.0 N/m。
(4)图线的AB段明显偏离直线OA,造成这种现象的主要原因是所挂钩码过多,导致弹簧超过了弹性限度。
考点二 创新拓展实验
创新角度:实验装置的改进
装置时代化 求解智能化
1.弹力的获得:弹簧竖直悬挂,重物的重力作为弹簧的拉力,存在弹簧自重的影响→弹簧水平放置,重物的重力作为弹簧的拉力,消除了弹簧自重的影响 2.图像的获得:由坐标纸作图得F-x图像→由传感器和计算机输入数据直接得F-x图像
例3 (2025·四川内江一模)某实验小组利用如图所示的实验装置来测量橡皮绳的劲度系数k。将手机悬挂在橡皮绳下,用手机软件中的位移传感器,可以测量手机在竖直方向上的位移。该实验小组进行了如下主要的实验步骤:
a.将橡皮绳分别与手机和铁架台相连接,使手机重心和橡皮绳在同一竖直线上;
b.用手掌托着手机,使橡皮绳处于原长状态,打开手机中的位移传感器软件;
c.缓慢释放手机,当手机平衡时记录手机下降的高度x0;
d.在手机正下方悬挂不同个数的钩码,每个钩码的质量m=50 g,缓慢释放,当钩码平衡时,记录下从橡皮绳原长开始下降的伸长量x;
e.重复上述d步操作;
f.作出悬挂钩码数量n及对应手机从橡皮绳原长开始下降的伸长量x的关系图像,如图所示。
根据n-x图像,回答以下问题:
(1)不挂钩码时,橡皮绳的伸长量为x0=    cm。
(2)钩码个数n与橡皮绳从原长开始下降的伸长量x之间的函数关系式为n=      (用字母k、x、x0、m、g表示)。
(3)该橡皮绳的劲度系数k=    N/m(g=10 m/s2)。
答案 (1)1.5 (2)x- (3)100
解析 (1)根据图像可知不挂钩码时,橡皮绳的伸长量为x0=1.5 cm。
(2)根据胡克定律有nmg=k(x-x0)
整理得n=x-。
(3)由图像可知,图线的斜率为k'==2 cm-1
该橡皮绳的劲度系数k=k'mg=100 N/m。
跟踪训练
某兴趣小组测量一缓冲装置中弹簧的劲度系数,缓冲装置如图所示,固定在斜面上的透明有机玻璃管与水平面夹角为30°,弹簧固定在有机玻璃管底端。实验过程如下:先沿管轴线方向固定一毫米刻度尺,再将单个质量为200 g的钢球(直径略小于玻璃管内径)逐个从管口滑进,每滑进一个钢球,待弹簧静止,记录管内钢球的个数n和弹簧上端对应的刻度尺示数L0,数据如表所示,实验过程中弹簧始终处于弹性限度内。采用逐差法计算弹簧压缩量,进而计算其劲度系数。
n 1 2 3 4 5 6
Ln/cm 8.04 10.03 12.05 14.07 16.11 18.09
(1)利用ΔLi=Li+3-Li(i=1,2,3)计算弹簧的压缩量:ΔL1=6.03 cm,ΔL2=6.08 cm,ΔL3=    cm,压缩量的平均值Δ=    cm。
(2)上述Δ是管中增加    个钢球时产生的弹簧平均压缩量。
(3)忽略摩擦,重力加速度g取9.80 m/s2,该弹簧的劲度系数为   N/m(结果保留3位有效数字)。
答案 (1)6.04 6.05 (2)3 (3)48.6
解析 (1)根据压缩量的变化量为ΔL3=L6-L3=(18.09-12.05) cm=6.04 cm
压缩量的平均值为
Δ cm
=6.05 cm。
(2)因三个ΔL是相差3个钢球的压缩量之差,则所求平均值为管中增加3个钢球时产生的弹簧平均压缩量。
(3)根据钢球的平衡条件有3mgsin θ=k·Δ
解得k= N/m
=48.6 N/m。
1.(2024·河北邯郸模拟)某实验小组用压力传感器设计测量弹簧劲度系数的实验方案。如图所示,压力传感器放在水平地面上,一轻质弹簧下端与重物连接,上端与跨过定滑轮的轻绳连接,轻绳的另一端连着托盘。托盘中不放砝码时,传感器读数为F0,在托盘中放置n(n=0,1,2,3,4,5)个砝码,对应弹簧长度的变化量为xn,传感器的读数为Fn,记录下相应的数据。
(1)数据处理时采用画F-x图像的方法,试分析该图像    (选填“过”或“不过”)坐标原点,该图像的      可表示弹簧的劲度系数。
(2)滑轮的摩擦力对实验结果    (选填“产生”或“不产生”)影响。
答案 (1)不过 斜率绝对值 (2)不产生
解析 (1)弹簧中弹力的增加量kx=F0-F,整理得F=F0-kx,可知该图线是一条不过原点的直线;斜率的绝对值为弹簧的劲度系数。
(2)由表达式F=F0-kx,可知滑轮的摩擦力不影响实验结果。
2.在探究弹力和弹簧伸长的关系时,某同学先按图(a)所示对弹簧甲进行探究,然后把等长的弹簧乙(直径小于甲)套在弹簧甲内,两弹簧悬挂在同一点按图(b)所示进行探究。在弹性限度内,将质量m=50 g的钩码逐个挂在弹簧下端,测得图(a)、图(b)中弹簧的长度L1、L2如下表所示。
已知重力加速度g=9.8 m/s2,计算弹簧甲的劲度系数k1=     N/m,弹簧乙的劲度系数k2=    N/m(结果保留3位有效数字)。
钩码个数 1 2 3 4
L1/cm 30.02 31.02 32.02 33.02
L2/cm 29.33 29.65 29.97 30.29
答案 49.0 104
解析 由表格中的数据可知,当弹力的变化量ΔF=mg=0.05×9.8 N=0.49 N时,弹簧甲的伸长量为Δx1=×[(33.02-32.02)+(32.02-31.02)+(31.02-30.02)] cm=1.00 cm
根据胡克定律知弹簧甲的劲度系数k1==49.0 N/m
把弹簧甲和弹簧乙并联起来时弹簧的伸长量
Δx2=×[(30.29-29.97)+(29.97-29.65)+(29.65-29.33)] cm=0.32 cm
根据胡克定律知弹簧甲、乙合并后的劲度系数k==153 N/m
根据k并=k甲+k乙,可计算出弹簧乙的劲度系数k乙=153 N/m-49 N/m=104 N/m。
3.(2025·河南信阳模拟)某同学用如图甲所示实验装置“探究弹簧的弹力与伸长量之间的关系”,实验时将弹簧a上端固定在铁架台的横杆上,弹簧a的右侧固定一刻度尺,记录不挂钩码时弹簧a的长度l0,在弹簧a下端悬挂不同质量的钩码,记录每次实验钩码的质量m及对应的弹簧a的长度l,重力加速度g取9.8 m/s2。
(1)由x=l-l0求出每次弹簧a的伸长量x,根据测量数据作出x-m图像,如图乙所示中的图线A。由图线A可得弹簧a的劲度系数k=    N/m(结果保留2位有效数字)。由图像可以得出的结论是                                       
                                      。
(2)该同学再用弹簧b重做实验,得到的x-m图像如图乙所示中的图线B,由图像可知,弹簧b的劲度系数      (选填“大于”“等于”或“小于”)弹簧a的劲度系数。若继续增大悬挂钩码的质量,测得的数值绘出的图像发现向上弯曲,其原因是             
                                       。
(3)若将a、b弹簧首尾相连串接在一起后悬挂在铁架台的横杆上,在最下端悬挂50 g的钩码,则稳定后,两根弹簧的总伸长量为    cm。
答案 (1)49 在弹性限度内,弹簧的弹力与其伸长量成正比 (2)大于 弹簧超出了弹性限度 (3)1.6
解析 (1)由mg=kx可得x=m,结合图像得
m/kg=0.2 m/kg,解得k=49 N/m
由图像得到的结论是:在弹性限度内,弹簧的弹力与其伸长量成正比。
(2)由x=m可知,图像的斜率越小,对应弹簧的劲度系数越大,因此弹簧b的劲度系数大于弹簧a的劲度系数。图像向上弯曲的原因是弹簧超出了弹性限度。
(3)由图像可知,两根弹簧的总伸长量为1.6 cm。
4.(2025·海南海口模拟)在探究弹力与弹簧伸长量的关系、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。
(1)有一个同学通过以上实验测量后把6组数据描点在坐标图中,请作出F-L图线。
(2)由此图线可得出的结论是         ,该弹簧的原长为L0=    cm,劲度系数k=    N/m。
(3)试根据以上该同学的实验情况,请你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:                                     。
答案 (1)见解析图 (2)在弹性限度内,弹力和弹簧的伸长量成正比 10 25 (3)见解析 (4)避免弹簧自身所受重力对实验的影响 弹簧与桌面及绳子与滑轮间存在的摩擦造成实验的误差
解析 (1)根据题意可知,应将题中给出的各点用直线连接,让各点均匀的分布在直线两侧,如图所示。
(2)此图像为一次函数图像,结合胡克定律可知,由此图线可得出的结论是在弹性限度内,弹力和弹簧的伸长量成正比。由图像可知,当F=0时,此时L即为弹簧的原长,L0=10 cm。此图像结合胡克定律可知,图像的斜率即为弹簧的劲度系数,即k= N/m=25 N/m。
(3)实验记录数据表格如下:
次数 1 2 3 4 5 6
弹力F/N
弹簧的长度 L/(×10-2 m)
(4)弹簧水平放置与弹簧悬挂放置相比较,优点在于避免弹簧自身所受重力对实验的影响;缺点在于弹簧与桌面及绳子与滑轮间存在的摩擦造成实验的误差。
5.小圆同学用橡皮筋、同种一元硬币、刻度尺、塑料袋、支架等,设计了如图(a)所示的实验装置,测量冰墩墩玩具的质量。主要实验步骤如下:
(1)查找资料,得知每枚硬币的质量为6.05 g。
(2)将硬币以5枚为一组逐次加入塑料袋,测量每次稳定后橡皮筋的长度l,记录数据如下表:
序号 1 2 3 4 5
硬币数量n/枚 5 10 15 20 25
长度l/cm 10.51 12.02 13.54 15.05 16.56
(3)根据表中数据在图(b)上描点,绘制图线。
(4)取出全部硬币,把冰墩墩玩具放入塑料袋中,稳定后橡皮筋长度的示数如图(c)所示,此时橡皮筋的长度为     cm。
(5)由上述数据计算得冰墩墩玩具的质量为     g(计算结果保留3位有效数字)。
答案 (3)见解析图 (4)15.35 (5)128
解析 (3)根据表格数据描点连线如图所示。
(4)由题图(c)可知刻度尺的分度值为1 mm,故读数为l=15.35 cm。
(5)设橡皮筋的劲度系数为k,原长为l0,则
n1mg=k(l1-l0),n2mg=k(l2-l0)
则橡皮筋的劲度系数为k=
从作出的l-n图线读取数据可得k=mg (N/cm)
l0==9.00 cm
设冰墩墩的质量为m1,则有m1g=k(l-l0)
可得m1=×6.05×(15.35-9.00) g≈128 g。(共40张PPT)
实验二 探究弹簧弹力与形变量的关系
第二章 相互作用——力
目 录
CONTENTS
夯实必备知识
01
研透核心考点
02
提升素养能力
03
夯实必备知识
1
原理装置图 操作要求 注意事项
平衡时弹簧产生的弹力和外力大小相等 1.将弹簧的一端挂在铁架台上,让其自然下垂,用刻度尺测出弹簧自然长度l0,即原长。 2.如图所示,在弹簧下端挂质量为m1的钩码,测出此时弹簧的长度l1,记录m1和l1,得出弹簧的伸长量x1,将这些数据填入自己设计的表格中。 3.改变所挂钩码的质量,测出对应的弹簧长度,记录m2、m3、m4、m5和相应的弹簧长度l2、l3、l4、l5,并得出每次弹簧的伸长量x2、x3、x4、x5。 1.操作:弹簧竖直悬挂,待钩码静止时测出弹簧长度。
2.作图:坐标轴标度要适中,单位要标注,连线时要使各数据点均匀分布在图线的两侧,明显偏离图线的点要舍去。
3.适量:弹簧下端所挂钩码不要太多以免伸长量超出弹性限度。
4.多测:要使用轻质弹簧尽可能多测几组数据。
5.统一:弹力及伸长量对应关系及单位应统一。
数据 处理 1.列表法:将实验数据填入表中,研究测量的数据,可发现在实验误差允许的范围内,弹力与弹簧伸长量的比值不变。 2.图像法:根据测量数据,在建好直角坐标系的坐标纸上描点。以弹簧的弹力F为纵轴,弹簧的伸长量x为横轴,根据描点的情况,作出一条经过原点的倾斜直线。
研透核心考点
2
考点二 创新拓展实验
考点一 教材原型实验
考点一 教材原型实验
作图处理数据的规则
(1)要在坐标轴上标明代表的物理量符号、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,使所作出的图像尽可能占满整个坐标图纸。若弹簧原长较长,则横坐标的起点可以不从零开始。
(2)作图线时,尽可能使直线通过较多的点,不在直线上的点也要尽可能均匀分布在直线的两侧(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,注意分析图像的斜率、截距的意义。
角度  实验原理及操作
例1 (2025·安徽黄山高三期末)某同学在做探究弹力和弹簧伸长量的关系的实验中,设计了如图甲所示的实验装置。
(1)在实验中,以下说法正确的是    (填正确答案标号)。
A.弹簧被拉伸时,不能超出它的弹性限度
B.用悬挂钩码的方法给弹簧施加拉力,应保证弹簧位于竖直位置且处于平衡状态
C.用直尺测得弹簧的长度即为弹簧的伸长量
D.用几个不同的弹簧,分别测出几组拉力与伸长量,得出拉力与伸长量之比相等
解析 弹簧被拉伸时,不能超出它的弹性限度,否则弹簧会损坏,故A正确;用悬挂钩码的方法给弹簧施加拉力,要保证弹簧位于竖直位置,使钩码的重力等于弹簧的弹力,要待钩码平衡时再读数,故B正确;弹簧的长度不等于弹簧的伸长量,伸长量等于弹簧的长度减去原长,故C错误;用几个不同的弹簧,分别测出几组拉力与伸长量,得出每组的弹力与形变量之比不相等,故D错误。
答案 AB 
(2)如图乙所示,是探究某根弹簧的伸长量x与所受拉力F之间的关系图,由图可知,弹簧的劲度系数是   N/m。
解析 根据胡克定律F=kx,可知图像的斜率等于弹簧的劲度系数,由图像求出弹簧的劲度系数为k= N/m=300 N/m。
答案 300 
(3)该同学用此弹簧制作成一弹簧测力计,丙图所示为某次测力时的示数,指针位置表示力的大小为    N。
解析 弹簧测力计的最小分度值为0.1 N,指针在1.7与1.8之间,故读数为1.75 N。
答案 1.75(1.73~1.77均对)
角度  数据处理及误差分析
例2 (2025·湖南长沙模拟)某同学采用图甲所示装置探究弹簧弹力与伸长量的关系,安装好实验装置,让刻度尺与弹簧平行放置,弹簧下端连有水平指针。实验时,在弹簧下端逐个加挂钩码,静止时,记下钩码个数及指针所指刻度L,填入表格如下。
n 1 2 3 4 5 6
Ln/cm 25.85 27.84 29.65 31.78 33.9 36.02
请回答下列问题∶
(1)表中有一个数值记录不规范,这是挂    个钩码时的读数。
解析 根据表格中数据可知,刻度尺的精度为0.1 cm,读数时,若单位为cm,则需要保留两位小数,可知表中挂5个钩码时的读数不规范。
答案 5 
(2)为减小误差,采用逐差法计算弹簧伸长量。利用ΔLn=Ln+3-Ln(n=1,2,3)计算弹簧的伸长量,则有ΔL1=5.93 cm,ΔL2=6.06 cm,ΔL3=6.37 cm,伸长量的平均值ΔL==    cm。
解析 伸长量的平均值ΔL= cm=6.12 cm。
答案 6.12
(3)实验中,每个钩码的质量均为m=50.0 g,g取9.8 m/s2,该弹簧的劲度系数为    N/m(结果保留3位有效数字)。
解析 结合上述,采用逐差法计算弹簧伸长量。计算弹簧的伸长量是利用表达式ΔLn=Ln+3-Ln(n=1,2,3)可知,该伸长量对应的弹力等于三个钩码的重力,根据胡克定律有3mg=kΔL
结合上述解得k≈24.0 N/m。
答案 24.0 
(4)图乙是该同学根据另一次实验数据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                  。
解析 图线的AB段明显偏离直线OA,造成这种现象的主要原因是所挂钩码过多,导致弹簧超过了弹性限度。
答案 所挂钩码过多,导致弹簧超过了弹性限度
考点二 创新拓展实验
创新角度:实验装置的改进
装置时代化 求解智能化
1.弹力的获得:弹簧竖直悬挂,重物的重力作为弹簧的拉力,存在弹簧自重的影响→弹簧水平放置,重物的重力作为弹簧的拉力,消除了弹簧自重的影响
2.图像的获得:由坐标纸作图得F-x图像→由传感器和计算机输入数据直接得F-x图像
例3 (2025·四川内江一模)某实验小组利用如图所示的实验装置来测量橡皮绳的劲度系数k。将手机悬挂在橡皮绳下,用手机软件中的位移传感器,可以测量手机在竖直方向上的位移。该实验小组进行了如下主要的实验步骤:
a.将橡皮绳分别与手机和铁架台相连接,使手机重心和橡皮绳在同一竖直线上;
b.用手掌托着手机,使橡皮绳处于原长状态,打开手机中的位移传感器软件;
c.缓慢释放手机,当手机平衡时记录手机下降的高度x0;
d.在手机正下方悬挂不同个数的钩码,每个钩码的质量m=50 g,缓慢释放,当钩码平衡时,记录下从橡皮绳原长开始下降的伸长量x;
e.重复上述d步操作;
f.作出悬挂钩码数量n及对应手机从橡皮绳原长开始下降的伸长量x的关系图像,如图所示。
根据n-x图像,回答以下问题:
(1)不挂钩码时,橡皮绳的伸长量为x0=    cm。
解析 根据图像可知不挂钩码时,橡皮绳的伸长量为x0=1.5 cm。
答案 1.5 
(2)钩码个数n与橡皮绳从原长开始下降的伸长量x之间的函数关系式为n=      (用字母k、x、x0、m、g表示)。
解析 根据胡克定律有nmg=k(x-x0)
整理得n=x-。
答案 x- 
(3)该橡皮绳的劲度系数k=    N/m(g=10 m/s2)。
解析 由图像可知,图线的斜率为k'==2 cm-1
该橡皮绳的劲度系数k=k'mg=100 N/m。
答案 100
跟踪训练
某兴趣小组测量一缓冲装置中弹簧的劲度系数,缓冲装置如图所示,固定在斜面上的透明有机玻璃管与水平面夹角为30°,弹簧固定在有机玻璃管底端。实验过程如下:先沿管轴线方向固定一毫米刻度尺,再将单个质量为200 g的钢球(直径略小于玻璃管内径)逐个从管口滑进,每滑进一个
钢球,待弹簧静止,记录管内钢球的个数n和弹簧上端对应的刻度尺示数L0,数据如表所示,实验过程中弹簧始终处于弹性限度内。采用逐差法计算弹簧压缩量,进而计算其劲度系数。
n 1 2 3 4 5 6
Ln/cm 8.04 10.03 12.05 14.07 16.11 18.09
(1)利用ΔLi=Li+3-Li(i=1,2,3)计算弹簧的压缩量:ΔL1=6.03 cm,ΔL2=6.08 cm,ΔL3=    cm,压缩量的平均值Δ=    cm。
解析 根据压缩量的变化量为ΔL3=L6-L3=(18.09-12.05) cm=6.04 cm
压缩量的平均值为Δ cm=6.05 cm。
答案 6.04 6.05
(2)上述Δ是管中增加    个钢球时产生的弹簧平均压缩量。
解析 因三个ΔL是相差3个钢球的压缩量之差,则所求平均值为管中增加3个钢球时产生的弹簧平均压缩量。
答案 3
(3)忽略摩擦,重力加速度g取9.80 m/s2,该弹簧的劲度系数为   N/m(结果保留3位有效数字)。
解析 根据钢球的平衡条件有3mgsin θ=k·Δ
解得k= N/m=48.6 N/m。
答案 48.6
提升素养能力
3
1.(2024·河北邯郸模拟)某实验小组用压力传感器设计测量弹簧劲度系数的实验方案。如图所示,压力传感器放在水平地面上,一轻质弹簧下端与重物连接,上端与跨过定滑轮的轻绳连接,轻绳的另一端连着托盘。托盘中不放砝码时,传感器读数为F0,在托盘中放置n(n=0,1,2,3,4,5)个砝码,对应弹簧长度的变化量为xn,传感器的读数为Fn,记录下相应的数据。
(1)数据处理时采用画F-x图像的方法,试分析该图像    (选填“过”或“不过”)坐标原点,该图像的      可表示弹簧的劲度系数。
(2)滑轮的摩擦力对实验结果    (选填“产生”或“不产生”)影响。
答案 (1)不过 斜率绝对值 (2)不产生
解析 (1)弹簧中弹力的增加量kx=F0-F,整理得F=F0-kx,可知该图线是一条不过原点的直线;斜率的绝对值为弹簧的劲度系数。
(2)由表达式F=F0-kx,可知滑轮的摩擦力不影响实验结果。
2.在探究弹力和弹簧伸长的关系时,某同学先按图(a)所示对弹簧甲进行探究,然后把等长的弹簧乙(直径小于甲)套在弹簧甲内,两弹簧悬挂在同一点按图(b)所示进行探究。在弹性限度内,将质量m=50 g的钩码逐个挂在弹簧下端,测得图(a)、图(b)中弹簧的长度L1、L2如下表所示。
已知重力加速度g=9.8 m/s2,计算弹簧甲的劲度系数k1=     N/m,弹簧乙的劲度系数k2=    N/m(结果保留3位有效数字)。
钩码个数 1 2 3 4
L1/cm 30.02 31.02 32.02 33.02
L2/cm 29.33 29.65 29.97 30.29
答案 49.0 104
解析 由表格中的数据可知,当弹力的变化量
ΔF=mg=0.05×9.8 N=0.49 N时,弹簧甲的伸长量为
Δx1=×[(33.02-32.02)+(32.02-31.02)+(31.02-30.02)] cm
=1.00 cm
根据胡克定律知弹簧甲的劲度系数k1==49.0 N/m
把弹簧甲和弹簧乙并联起来时弹簧的伸长量
Δx2=×[(30.29-29.97)+(29.97-29.65)+(29.65-29.33)] cm=0.32 cm
根据胡克定律知弹簧甲、乙合并后的劲度系数k==153 N/m
根据k并=k甲+k乙,可计算出弹簧乙的劲度系数k乙=153 N/m-49 N/m=104 N/m。
3.(2025·河南信阳模拟)某同学用如图甲所示实验装置“探究弹簧的弹力与伸长量之间的关系”,实验时将弹簧a上端固定在铁架台的横杆上,弹簧a的右侧固定一刻度尺,记录不挂钩码时弹簧a的长度l0,在弹簧a下端悬挂不同质量的钩码,记录每次实验钩码的质量m及对应的弹簧a的长度l,重力加速度g取9.8 m/s2。
(1)由x=l-l0求出每次弹簧a的伸长量x,根据测量数据作出x-m图像,如图乙所示中的图线A。由图线A可得弹簧a的劲度系数k=    N/m(结果保留2位有效数字)。由图像可以得出的结论是                   。
(2)该同学再用弹簧b重做实验,得到的x-m图像如图乙所示中的图线B,由图像可知,弹簧b的劲度系数      (选填“大于”“等于”或“小于”)弹簧a的劲度系数。若继续增大悬挂钩码的质量,测得的数值绘出的图像发现向上弯曲,其原因是              。
(3)若将a、b弹簧首尾相连串接在一起后悬挂在铁架台的横杆上,在最下端悬挂50 g的钩码,则稳定后,两根弹簧的总伸长量为    cm。
答案 (1)49 在弹性限度内,弹簧的弹力与其伸长量成正比 (2)大于 弹簧超出了弹性限度 (3)1.6
解析 (1)由mg=kx可得x=m,结合图像得
m/kg=0.2 m/kg,解得k=49 N/m
由图像得到的结论是:在弹性限度内,弹簧的弹力
与其伸长量成正比。
(2)由x=m可知,图像的斜率越小,对应弹簧的劲度系数越大,因此弹簧b的劲度系数大于弹簧a的劲度系数。图像向上弯曲的原因是弹簧超出了弹性限度。
(3)由图像可知,两根弹簧的总伸长量为1.6 cm。
4.(2025·海南海口模拟)在探究弹力与弹簧伸长量的关系、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。
(1)有一个同学通过以上实验测量后把6组数据描点在坐标图中,请作出F-L图线。
(2)由此图线可得出的结论是         ,该弹簧的原长为L0=    cm,劲度系数k=    N/m。
(3)试根据以上该同学的实验情况,请你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:                   。
答案 (1)见解析图 (2)在弹性限度内,弹力和弹簧的伸长量成正比 10 25 (3)见解析 (4)避免弹簧自身所受重力对实验的影响 弹簧与桌面及绳子与滑轮间存在的摩擦造成实验的误差
解析 (1)根据题意可知,应将题中给出的各点用直线连接,让各点均匀的分布在直线两侧,如图所示。
(2)此图像为一次函数图像,结合胡克定律可知,由此图线可得出的结论是在弹性限度内,弹力和弹簧的伸长量成正比。由图像可知,当F=0时,此时L即为弹簧的原长,L0=10 cm。此图像结合胡克定律可知,图像的斜率即为弹簧的劲度系数,即k= N/m=25 N/m。
(3)实验记录数据表格如下:
次数 1 2 3 4 5 6
弹力F/N
弹簧的长度L/(×10-2 m)
(4)弹簧水平放置与弹簧悬挂放置相比较,优点在于避免弹簧自身所受重力对实验的影响;缺点在于弹簧与桌面及绳子与滑轮间存在的摩擦造成实验的误差。
5.小圆同学用橡皮筋、同种一元硬币、刻度尺、塑料袋、支架等,设计了如图(a)所示的实验装置,测量冰墩墩玩具的质量。主要实验步骤如下:
(1)查找资料,得知每枚硬币的质量为6.05 g。
(2)将硬币以5枚为一组逐次加入塑料袋,测量每次稳定后橡皮筋的长度l,记录数据如下表:
序号 1 2 3 4 5
硬币数量n/枚 5 10 15 20 25
长度l/cm 10.51 12.02 13.54 15.05 16.56
(3)根据表中数据在图(b)上描点,绘制图线。
(4)取出全部硬币,把冰墩墩玩具放入塑料袋中,稳定后橡皮筋长度的示数如图(c)所示,此时橡皮筋的长度为     cm。
(5)由上述数据计算得冰墩墩玩具的质量为     g(计算结果保留3位有效数字)。
答案 (3)见解析图 (4)15.35 (5)128
解析 (3)根据表格数据描点连线如图所示。
(4)由题图(c)可知刻度尺的分度值为1 mm,故读数为l=15.35 cm。
(5)设橡皮筋的劲度系数为k,原长为l0,则
n1mg=k(l1-l0),n2mg=k(l2-l0)
则橡皮筋的劲度系数为k=
从作出的l-n图线读取数据可得k=mg (N/cm)
l0==9.00 cm
设冰墩墩的质量为m1,则有m1g=k(l-l0)
可得m1=×6.05×(15.35-9.00) g≈128 g。

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