第2課時(shí)實(shí)驗(yàn)：探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系[實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)]1．探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系。2．學(xué)會(huì)利用列表法、圖像法、函數(shù)法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3．學(xué)會(huì)根據(jù)Fx、Fl圖像求出彈簧的勁度系數(shù)。1．實(shí)驗(yàn)原理彈簧受到拉力作用會(huì)伸長(zhǎng)，平衡時(shí)彈簧的彈力和外力大小相等；彈簧的伸長(zhǎng)量越大，彈力也就越大。2．實(shí)驗(yàn)器材鐵架臺(tái)、彈簧、鉤碼、刻度尺、坐標(biāo)紙。3．實(shí)驗(yàn)步驟(1)安裝實(shí)驗(yàn)器材(如圖所示)。(2)測(cè)量彈簧的伸長(zhǎng)量(或總長(zhǎng))及所受的拉力(或所掛鉤碼的質(zhì)量)，列表記錄，要盡可能多測(cè)幾組數(shù)據(jù)。(3)根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，以彈力F為縱坐標(biāo)，以彈簧的伸長(zhǎng)量x為橫坐標(biāo)。(4)按照在圖中所繪點(diǎn)的分布與走向，嘗試作出一條平滑的曲線(包括直線)，所畫的點(diǎn)不一定正好在這條曲線上，但要注意使曲線兩側(cè)的點(diǎn)數(shù)大致相同。(5)以彈簧的伸長(zhǎng)量為自變量，寫出曲線所代表的函數(shù)的解析式，首先嘗試一次函數(shù)，如果不行再考慮二次函數(shù)。4．?dāng)?shù)據(jù)處理(1)列表法將測(cè)得的F、x填入設(shè)計(jì)好的表格中，可以發(fā)現(xiàn)彈力F與彈簧伸長(zhǎng)量x的比值在誤差允許范圍內(nèi)是相等的。(2)圖像法以彈簧伸長(zhǎng)量x為橫坐標(biāo)，彈力F為縱坐標(biāo)，描出F、x各組數(shù)據(jù)相應(yīng)的點(diǎn)，作出的擬合曲線是一條過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線。(3)函數(shù)法彈力F與彈簧伸長(zhǎng)量x滿足F＝kx的關(guān)系。5．注意事項(xiàng)(1)不要超過(guò)彈性限度：實(shí)驗(yàn)中彈簧下端掛的鉤碼不要太多，以免彈簧被過(guò)度拉伸，超過(guò)彈簧的彈性限度。(2)盡量多測(cè)幾組數(shù)據(jù)：要使用輕質(zhì)彈簧，且要盡量多測(cè)幾組數(shù)據(jù)。(3)觀察所描點(diǎn)的走向：本實(shí)驗(yàn)是探究性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前并不知道其規(guī)律，所以描點(diǎn)以后所作的曲線是試探性的，只是在分析了點(diǎn)的分布和走向以后才決定用直線來(lái)連接這些點(diǎn)。(4)統(tǒng)一單位：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。6．誤差分析(1)鉤碼標(biāo)值不準(zhǔn)確、彈簧長(zhǎng)度測(cè)量不準(zhǔn)確帶來(lái)誤差。(2)畫圖時(shí)描點(diǎn)及連線不準(zhǔn)確帶來(lái)誤差。類型一實(shí)驗(yàn)原理與操作【典例1】如圖甲所示，用鐵架臺(tái)、彈簧和多個(gè)質(zhì)量已知且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)圖乙是彈簧彈力F與彈簧伸長(zhǎng)量x的Fx圖線，由此可求出彈簧的勁度系數(shù)為________N/m。圖線不過(guò)原點(diǎn)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)其下端在刻度尺上的刻度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，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，寫出彈力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系式，首先嘗試寫成一次函數(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)：____________________________________________________________________________________________________。[聽課記錄]類型二數(shù)據(jù)處理和誤差分析【典例2】某實(shí)驗(yàn)小組用圖甲所示的裝置來(lái)探究彈簧彈力F和彈簧長(zhǎng)度L的關(guān)系。把彈簧上端固定在鐵架臺(tái)的橫桿上，記錄彈簧自由下垂時(shí)下端所到達(dá)的刻度位置，然后在彈簧下端懸掛不同質(zhì)量的鉤碼，記錄每一次懸掛鉤碼的質(zhì)量和彈簧下端的刻度位置，實(shí)驗(yàn)中彈簧始終未超過(guò)彈簧的彈性限度。通過(guò)分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論。(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)認(rèn)為可以用鉤碼所受重力的大小來(lái)代替彈簧彈力的大小，這樣做依據(jù)的物理規(guī)律是________________。(2)以彈簧受到的彈力F為縱軸、彈簧長(zhǎng)度L為橫軸建立直角坐標(biāo)系，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出FL圖像，如圖乙所示。由圖像可知，彈簧自由下垂時(shí)的長(zhǎng)度l0＝______cm，彈簧的勁度系數(shù)k＝______N/m。(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)(3)用兩根不同規(guī)格的輕質(zhì)彈簧a和b進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到彈力F與彈簧形變量x關(guān)系如圖丙所示，關(guān)于圖像分析下列說(shuō)法正確的是________。A．彈性限度內(nèi)，彈簧a的勁度系數(shù)比b的小B．彈簧a的自重比彈簧b的大C．彈簧a的原長(zhǎng)一定比彈簧b的大D．彈簧a的圖線彎曲，是因?yàn)槌^(guò)了彈簧的彈性限度[聽課記錄]類型三創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)【典例3】在“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示，彈簧所受的水平拉力等于所掛鉤碼的重力。實(shí)驗(yàn)時(shí)先測(cè)出不掛鉤碼時(shí)彈簧的自然長(zhǎng)度，再將5個(gè)鉤碼逐個(gè)掛在輕繩的下端，測(cè)出每次彈簧相應(yīng)的長(zhǎng)度。小明同學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出了6組數(shù)據(jù)，并在圖乙的坐標(biāo)系中描點(diǎn)。(1)連接圖乙中各點(diǎn)，在圖乙中作出Fl圖線，由圖線可得出該彈簧的原長(zhǎng)為________cm，勁度系數(shù)為________N/m。(2)小明同學(xué)的測(cè)量、記錄及描點(diǎn)都規(guī)范正確，但圖乙中的一個(gè)描點(diǎn)(18cm，2.0N)位置明顯有偏差，原因是________________________________________________________________________________________________________________。(3)將彈簧水平放置跟豎直放置做實(shí)驗(yàn)相比較，請(qǐng)指出水平放置做實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)(只要各指出一條便可)。優(yōu)點(diǎn)：_____________________________________________________________；缺點(diǎn)：_____________________________________________________________。[聽課記錄]【典例4】某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量橡皮繩的勁度系數(shù)。將手機(jī)懸掛在橡皮繩下，手機(jī)軟件中的“定位”功能可以測(cè)量手機(jī)豎直方向上的位移。實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行了如下主要的實(shí)驗(yàn)步驟：①安裝實(shí)驗(yàn)器材，橡皮繩分別與手機(jī)和鐵架臺(tái)連接，手機(jī)重心和橡皮繩在同一豎直線；②手掌托著手機(jī)，使橡皮繩處于原長(zhǎng)狀態(tài)，打開手機(jī)中的位移傳感器軟件；③緩慢釋放手機(jī)，當(dāng)手機(jī)平衡時(shí)記錄下手機(jī)下降的高度x0；④在手機(jī)下方再懸掛一個(gè)質(zhì)量m＝50g的鉤碼，緩慢釋放，當(dāng)鉤碼平衡時(shí)記錄手機(jī)下降的高度x；⑤重復(fù)上述第4步操作，數(shù)據(jù)記錄如表所示：鉤碼數(shù)量n0123456手機(jī)下落高度x/cmx01.251.491.742.012.252.51(1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖乙中作圖，縱軸是鉤碼數(shù)量n，橫軸是手機(jī)從橡皮繩原長(zhǎng)開始下降高度x。(2)根據(jù)nx圖像，該橡皮繩的勁度系數(shù)k＝________N/m(g取10m/s2)。(3)通過(guò)分析可知不掛鉤碼時(shí)，橡皮繩的伸長(zhǎng)量為x0＝________cm，由此計(jì)算出手機(jī)的質(zhì)量為________g。(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)[聽課記錄]第2課時(shí)實(shí)驗(yàn)：探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系[探究重構(gòu)·關(guān)鍵能力達(dá)成]典例1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)取題圖乙中(0.5cm，0)和(3.5cm，6N)兩個(gè)點(diǎn)，代入ΔF＝kΔx可得k＝200N/m；Fx圖線不過(guò)原點(diǎn)是由于彈簧自身的重力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(或與彈簧對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度)(3)200彈簧自身重力的影響(4)CBDAEFG典例2解析：(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)認(rèn)為可以用鉤碼所受重力的大小來(lái)代替彈簧彈力的大小，這樣做依據(jù)的物理規(guī)律是二力平衡的條件。(2)根據(jù)胡克定律可得F＝k(L－l0)可知FL圖像的橫截距即為彈簧自由下垂時(shí)的長(zhǎng)度l0，則有l(wèi)0＝4.00cmFL圖像的斜率為彈簧的勁度系數(shù)，則有k＝16(20?4)×10?2N/m＝100(3)根據(jù)Fx圖像的斜率表示彈簧的勁度系數(shù)，由題圖丙可知在彈性限度內(nèi)，彈簧a的勁度系數(shù)比b的大，故A錯(cuò)誤；由橫軸截距可知，彈簧自重的伸長(zhǎng)量相同，根據(jù)mg＝kx，由于彈簧a的勁度系數(shù)比b的大，則彈簧a的自重比彈簧b的大，故B正確；根據(jù)題圖丙無(wú)法判斷兩彈簧原長(zhǎng)的大小關(guān)系，故C錯(cuò)誤；彈簧a的圖線彎曲，是因?yàn)槌^(guò)了彈簧的彈性限度，故D正確。答案：(1)二力平衡的條件(2)4.00100(3)BD典例3解析：(1)作出Fl圖線如圖所示，彈簧彈力F＝0時(shí)，對(duì)應(yīng)的彈簧長(zhǎng)度為彈簧的原長(zhǎng)，可知橫軸截距為該彈簧的原長(zhǎng)，即l0＝5×102m＝5cm，圖線直線部分的斜率為該彈簧的勁度系數(shù)，即k＝1.6?0(13?5)×10?2N/m＝(2)在彈簧的彈性限度內(nèi)，彈簧的彈力和彈簧長(zhǎng)度成線性關(guān)系，圖線為直線。由題意可知，造成偏差的原因是彈簧的形變超出了彈簧的彈性限度。(3)水平放置做實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：可避免彈簧自身所受重力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。缺點(diǎn)：彈簧與接觸面及輕繩與滑輪間存在摩擦?xí)a(chǎn)生誤差。答案：(1)見解析圖520(2)彈簧的形變超出了彈簧的彈性限度(3)見解析