2013届高考物理一轮复习 第2单元相互作用第5讲　实验：探究弹力与弹簧伸长的关系验证力的平行四边形定则课件 新人教版

1、第第5讲实验讲实验:探究弹力与弹簧伸长的关系探究弹力与弹簧伸长的关系验证力的平行四边形定则验证力的平行四边形定则 知识建构技能建构1.培养用所学知识探究物理规律的能力.一、实验目的2.探究弹力和弹簧伸长量的关系.知识建构技能建构二、实验原理3.养成用图象法处理实验数据的习惯.1.如图所示,弹簧在下端悬挂钩码时会伸长,平衡时弹簧产生的弹力与所挂钩码的重力大小相等.知识建构技能建构2.用刻度尺测出弹簧在不同钩码拉力作用下的伸长量x,建立坐标系,以纵坐标表示弹力大小F,以横坐标表示弹簧的伸长量x,在坐标系中描出实验所测得的各组(x,F)对应的点,用平滑的曲线连接起来,根据实验所得的图线,就可探知弹力

2、大小与伸长量的关系.三、实验器材铁架台、弹簧、刻度尺、钩码若干、三角板、坐标纸、重垂线.知识建构技能建构1.按右图安装实验装置,特别注意靠近弹簧的毫米刻度尺要用重垂线检查是否竖直.四、实验步骤知识建构技能建构3.在弹簧下悬挂不同的钩码个数,并换算成重力,重力就等于弹簧的弹力大小,并将数据依次填入表格,用F表示弹力,l表示弹簧的总长,x表示伸长量. 1234567F/N l/cm x/cm 2.记下弹簧下端不挂钩码时所对应的刻度L0.知识建构技能建构4.根据测量数据画出F-x图象(以F为纵轴,以x为横轴)按照F-x图中各点的分布与走向,尝试作出一条平滑的曲线(包括直线),所画的点不一定正好在这条

3、曲线上,但要注意使曲线两侧的点数大致相同.尝试写出曲线所代表的函数,首先尝试F-x是否为一次函数,如果不行则考虑二次函数或其他函数.知识建构技能建构5.得出结论在实验误差范围内,应得出弹力的大小与弹簧的伸长量成正比,即F=kx,其中k的单位由F和x的单位决定.6.换用一根弹簧与上面的弹簧对比,在伸长量相同的情况下,弹力大的k越大,说明“k”反映了弹簧的“劲度”,从而充分认识k的物理意义.五、注意事项知识建构技能建构2.只有在弹性限度内,弹簧的弹力才与弹簧的伸长量成正比.所以在弹簧下挂钩码时,注意不要使弹簧所受拉力超过其弹性限度.1.由于弹簧有一定重量,将其自然悬挂时的长度与平放时的长度不一样.

4、量取L0时,应将弹簧一端固定在铁架台上的铁夹上,让其自然下垂,再用毫米刻度尺量得自然状态下的原长.3.若用作图法研究弹簧的弹力与其伸长量的关系,由于实验误差,依据实验数据描成的点不会完全在一条直线上.这时所作直线应尽量多的通过这些点,并使不在直线上的点尽量均匀分布在所作直线的两侧.明显与其他的点相差很远的点应该舍去.知识建构技能建构4.如果实验中不用弹簧的伸长量而用弹簧的总长,得到的不是正比例函数,关系较为复杂.根据实验目的要用弹簧的伸长量.如果弹簧伸长量的单位用米,弹力的单位用牛,函数表达式中常数k的单位是牛每米,即N/m.(二)验证力的平行四边形定则一.实验目的验证互成角度的两个力合成时的

5、平行四边形定则.知识建构技能建构二.实验原理等效法:使一个力F的作用效果和两个力F1、F2的作用效果相同,都是使同一条一端固定的橡皮条伸长到某点,所以这个力F就是那两个力F1和F2的合力,作出力F的图示,再根据平行四边形定则作出力F1和F2的合力F的图示,比较F和F的大小和方向是否相同.知识建构技能建构三.实验器材方木板,白纸,弹簧测力计(两只),橡皮条,细绳套(两个),三角板,刻度尺,图钉(若干),铅笔.知识建构技能建构1.用图钉把白纸钉在放于水平桌面的方木板上.四、实验步骤知识建构技能建构3.用两只弹簧秤分别钩住细绳套,互成角度地拉橡皮条,将结点拉到某一位置O,如图所示,记录两弹簧秤的示数

6、,用铅笔描下O点的位置及此时两条细绳套的方向.2.用图钉把橡皮条的一端固定在A点,橡皮条的另一端拴上两个细绳套.知识建构技能建构4.用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳方向画直线,按选定的标度作出这两只弹簧秤的示数F1和F2的图示,并以F1和F2为邻边用刻度尺和三角板作平行四边形,过O点画平行四边形的对角线,此对角线即为合力F的图示.知识建构技能建构5.只用一只弹簧秤钩住细绳套,把橡皮条的结点拉到同样的位置O,记下弹簧秤的示数F和细绳的方向,用刻度尺从O点按选定的标度沿记录的方向作出这只弹簧秤的拉力F的图示.6.比较一下,F与用平行四边形定则求出的合力F的大小和方向.7.改变两个力F1与F2的大小

7、和夹角,重复实验两次.五.操作技巧及注意事项知识建构技能建构(1)弹簧测力计的选取方法是:将两只弹簧测力计调零后互钩水平对拉,若两只弹簧在对拉过程中,读数相同,则可选;若读数不同,应另换,直至相同为止.1.正确使用弹簧测力计知识建构技能建构(3)使用前要检查指针是否指在零刻度线上,否则应校正零位(无法校正的要记录下零误差).(2)弹簧测力计不能在超出它的测量范围的情况下使用.(4)被测力的方向应与弹簧测力计轴线方向一致,拉动时弹簧不可与外壳相碰或摩擦.(5)读数时应正对、平视刻度.知识建构技能建构(1)不要直接以橡皮条端点为结点,可拴一短细绳连两细绳套,以三绳交点为结点,应使结点小些,以便准确

8、地记录结点O的位置.2.实验注意事项(2)在同一次实验中,使橡皮条拉长时结点O的位置一定要相同.(3)不要用老化的橡皮条,检查方法是用一个弹簧拉橡皮条,要反复做几次,使橡皮条拉到相同的长度看弹簧读数有无变化.知识建构技能建构(5)在同一次实验中,画力的图示所选定的标度要相同,并且要恰当选取标度,使所作力的图示稍大一些.六.误差分析(4)细绳套应适当长一些,便于确定力的方向,不要直接沿细绳套的方向画直线,应在细绳套末端用铅笔画一个点,去掉细绳套后,再将所标点与O点连成直线确定力的方向.知识建构技能建构2.使用中,弹簧秤的弹簧和外壳之间、指针和外壳之间或弹簧秤外壳和纸面之间有摩擦力存在会造成系统误

9、差. 1.弹簧秤使用前没调零会造成系统误差. 3.两次测量拉力时,橡皮筋的结点O没有拉到同一点会造成偶然误差. 4.在应用平行四边形法则作图时,F1、F2及合力F作图不准确.知识建构技能建构例1下表是某同学为“探究弹力和弹簧伸长的关系”所测得的几组数据.弹力F/N0.51.01.52.02.5伸长x/cm2.65.07.29.812.4一、探究弹力与弹簧伸长的关系知识建构技能建构(1)请你在图甲所示的坐标纸上作出F-x图线.甲知识建构技能建构(3)写出函数表达式中常数的物理意义: .(2)写出图线所代表的函数式(x用m为单位): .知识建构技能建构(4)若弹簧的原长为40 cm,并且以弹簧的总

10、长度L为自变量,写出函数表达式(以N和m为单位): .【名师点金】F-x图线应为过原点的一条直线,所以作图时应用直线将所描各点连接起来,连接时应使尽可能多的点落在这条直线上,不在这条直线上的点应均匀地分布在直线的两侧.图线的斜率表示弹簧的劲度系数.知识建构技能建构【规范全解】(1)将x轴每一小格取为1 cm,y轴每一小格取为0.25 N,将各点描到坐标纸上,并连成直线,如图乙所示.乙知识建构技能建构(2)由图象得F=20 x.(3)函数表达式中的常数表示该弹簧每伸长(或压缩)1 m,其弹力增大20 N.(4)函数表达式为:F=20(L-0.4).【答案】(1)如图乙所示 (2)F=20 x(3

11、)该弹簧每伸长(或压缩)1 m,其弹力增大20 N(4)F=20(L-0.4)知识建构技能建构方法概述在物理学中经常用图象处理物理问题,应用图象的好处是直观、方便.根据已知数据选择坐标轴的标度是作好图象的关键.作图象的方法是:用平滑的曲线(或直线)将坐标纸上的各点连接起来,若是直线,应使各点均匀分布于直线上或直线两侧,偏离直线太大的点应舍弃,有时可以通过改变物理量的方法,把曲线变为直线,使图象更直观.知识建构技能建构变式训练 在“探究弹力与弹簧伸长的关系”的实验中,将弹簧水平放置测出其自然长度,然后竖直悬挂让其自然下垂,在其下端竖直向下施加外力F,实验过程是在弹簧的弹性限度内进行的.用记录的外

12、力F与弹簧的形变量x作出的F-x图线如图所示,由图可知弹簧的劲度系数为 .图线不过原点的原因是由于 .知识建构技能建构【规范全解】由F=kx+C可知,图象的斜率表示劲度系数,可求出劲度系数k=200 N/m,图象不过原点是因为弹簧有自重.【答案】200 N/m弹簧有自重知识建构技能建构例2将橡皮条的一端固定在A点,另一端拴上两根细绳,每根细绳分别连着一个量程为5 N、最小刻度为0.1 N的弹簧测力计,沿着两个不同的方向拉弹簧测力计.当橡皮条的活动端拉到O点时,两根细绳相互垂直,如图甲所示,这时弹簧测力计的读数可从图中读出.甲乙二、验证力的平行四边形定则(2)在图乙的方格纸上按作图法的要求画出这

13、两个力及它们的合力.【名师点金】(1)读弹簧测力计示数时,应注意首先找零刻度,尤其是竖直放置的那个弹簧测力计是倒置的,它的零刻度在下方.(2)作图时要首先定好坐标,先画出两个力的图示,再根据力的平行四边形定则作出合力.(1)由图甲可读得两个相互垂直的拉力的大小分别为 N和 N(只需精确到0.1 N).知识建构技能建构【规范全解】从题可知,弹簧秤最小分度为0.1 N,因此,竖直向下的弹簧秤示数为2.5 N,水平向右的弹簧秤示数为4.0 N.【答案】(1)2.5 4.0 (2)如图丙所示丙知识建构技能建构知识建构技能建构1.李明同学在做“验证力的平行四边形定则”实验时,利用坐标纸记下了橡皮筋的结点

14、位置O点以及两只弹簧测力计拉力的大小,如图甲所示.甲乙 (2)有关此实验,下列叙述正确的是 .A.两弹簧测力计的拉力可以同时比橡皮筋的拉力大B.橡皮筋的拉力是合力,两弹簧测力计的拉力是分力C.两次拉橡皮筋时,需将橡皮筋结点拉到同一位置O.这样做的目的是保证两次弹簧测力计拉力的效果相同D.若只增大某一只弹簧测力计的拉力大小而要保证橡皮筋结点位置不变,只需调整另一只弹簧测力计拉力的大小即可(1)试在图甲中作出无实验误差情况下F1和F2的合力图示,并用F表示此力.知识建构技能建构(3)图乙是李明和张华两位同学在做以上实验时得到的结果,其中哪一个实验比较符合实验事实?(力F是用一只弹簧测力计拉时的图示

15、)答: .知识建构技能建构(4)在以上实验结果比较符合实验事实的一位同学中,造成误差的主要原因是:(至少写出两种情况)答: .知识建构技能建构(2)两分力可以同时大于合力,故A正确;结点受三个力作用处于平衡状态,其中两弹簧测力计的拉力的合力与第三个力橡皮筋拉力等大、反向,是一对平衡力,而橡皮筋的拉力不是合力,故B错;只有保证结点在同一位置才能说明作用效果相同,故C对;若两个分力的大小变化而方向都不变,则合力必定变化,故D错.【解析】(1)用平行四边形定则作图,即以F1、F2为两邻边作平行四边形,对角线OF就表示合力F.(标上箭头表明方向)(3)作图法得到的F必为平行四边形的对角线,单个弹簧测力

16、计的拉力F一定与橡皮筋共线,故张华的实验比较符合实验事实.(4)F2的大小比真实值偏小且方向比真实方向偏左,作图时两虚线分别与F1线和F2线不严格平行.知识建构技能建构【答案】(1)如图丙所示丙(2)AC (3)张华做的符合实验事实 (4)见解析知识建构技能建构(1)实验对两次拉伸橡皮条的要求中,下列哪些说法是正确的 (填字母代号).A.将橡皮条拉伸相同长度即可B.将橡皮条沿相同方向拉到相同长度C.将弹簧秤都拉伸到相同刻度D.将橡皮条和绳的结点拉到相同位置2.(2010年高考天津理综卷)在探究求合力的方法时,先将橡皮条的一端固定在水平木板上,另一端系上带有绳套的两根细绳.实验时,需要两次拉伸橡

17、皮条,一次是通过两细绳用两个弹簧秤互成角度地拉橡皮条,另一次是用一个弹簧秤通过细绳拉橡皮条.知识建构技能建构(2)同学们在操作过程中有如下议论,其中对减小实验误差有益的说法是 (填字母代号).A.两细绳必须等长B.弹簧秤、细绳、橡皮条都应与木板平行C.用两弹簧秤同时拉细绳时两弹簧秤示数之差应尽可能大D.拉橡皮条的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要远些【解析】(1)合力与分力为等效替代关系,实验中力的效果是使橡皮条发生形变,两次橡皮条形变大小和方向相同则效果相同,所以B、D正确.知识建构技能建构(2)实验中细绳的作用是用来确定弹簧秤的拉力方向,两绳是否等长不会影响测量结果,所以A错误;只有弹簧

18、秤、细绳、橡皮条与木板平行,才能保证两次的效果相同,以减小测量误差,B正确;用两弹簧秤同时拉细绳时,要求两弹簧秤示数不要太大(以防合力大于弹簧秤量程),也不要太小(减小相对误差),对二者示数之差无特别要求,故C错误;通过细绳记录力的方向时,不可避免地存在误差,两标记点适当远些,可减小方向误差,D正确.【答案】(1)BD (2)BD知识建构技能建构3.(2011年高考江苏物理卷)某同学用如图所示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”.弹簧测力计A挂于固定点P,下端用细线挂一重物M.弹簧测力计B的一端用细线系于O点,手持另一端向左拉,使结点O静止在某位置.分别读出弹簧测力计A和B的示数,并在贴于竖直木板的白纸上记录O点的位置和拉线的方向.知识建构技能建构(2)下列不必要的实验要求是 .(请填写选项对应的字母).A.应测量重物M所受的重力B.弹簧测力计应在使用前校零C.拉线方向应与