(9 分)某实验小组探究弹簧的劲度系数 k 与其长度(圈数…——2014 高考物理第 10 题答案解析

2014_新课标II卷

2014 全国 第 10 题 解答题 区分题
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10.(9 分)某实验小组探究弹簧的劲度系数 k 与其长度(圈数)的关系。实验装置如图(a)所示:一均匀长弹簧竖直悬挂,7个指针 $\mathsf { P } _ { 0 } \setminus \mathsf { P } _ { 1 } \setminus \mathsf { P } _ { 2 } \setminus \mathsf { P } _ { 3 } \setminus \mathsf { P } _ { 4 } .$ $\mathsf { P } _ { 5 } , \mathsf { P } _ { 6 }$ 分别固定在弹簧上距悬点 0、10、20、30、40、50、60 圈处:通过旁边竖直放置的刻度尺,可以读出指针的位置, $\mathsf { P } _ { 0 }$ 指向 0 刻度。设弹簧下端未挂重物时,各指针的位置记为 $\mathsf { x } _ { 0 } \mathsf { : }$ ;挂有质量为0.100kg的砝码时,各指针的位置记为x。测量结果及部分计算结果如表所示(n 为弹簧的圈数,取重力加速度为 $9 . 8 0 \mathrm { m } / \mathsf { s } ^ { 2 } \mathrm { ~ }$ )。已知实验所用弹簧总圈数为 60,整个弹簧的自由长度为11.88cm。

<table><tr><td></td><td> $P_{1}$ </td><td> $P_{2}$ </td><td> $P_{3}$ </td><td> $P_{4}$ </td><td> $P_{5}$ </td><td> $P_{6}$ </td></tr><tr><td> $x_{0}$ (cm)</td><td>2.04</td><td>4.06</td><td>6.06</td><td>8.05</td><td>10.08</td><td>12.01</td></tr><tr><td>x(cm)</td><td>2.64</td><td>5.26</td><td>7.81</td><td>10.30</td><td>12.93</td><td>15.41</td></tr><tr><td>n</td><td>10</td><td>20</td><td>30</td><td>40</td><td>50</td><td>60</td></tr><tr><td>k(N/m)</td><td>163</td><td>1</td><td>56.0</td><td>43.6</td><td>33.8</td><td>28.8</td></tr><tr><td>1/k(m/N)</td><td>0.0061</td><td>2</td><td>0.0179</td><td>0.0229</td><td>0.0296</td><td>0.0347</td></tr></table>

(1)将表中数据补充完整:① 81.7 ② 0.0122

(2)以n为横坐标, $1 / \kappa$ 为纵坐标,在图(b)给出的坐标纸上画出 $1 / { \mathsf { k } } - { \mathsf { n } }$ 图象。

(3)图(b)中画出的直线可近似认为通过原点,若从实验中所用的弹簧截取圈数为 n 的一段弹簧,该弹簧的劲度系数 k 与其圈数 n 的关系的表达式为 $\ v { k } =$ $\frac { 1 . 6 7 \times 1 0 ^ { 3 } } { \mathrm { ~ n ~ } } \frac { ( 7 \pm \frac { 1 . 6 6 \times 1 0 ^ { 3 } } { \mathrm { ~ n ~ } } } { \mathrm { ~ n ~ } } \frac { \sim } { \mathrm { ~ n ~ } } \frac { 1 . 8 3 \times 1 0 ^ { 3 } } { \mathrm { ~ n ~ } }$ 之间都可以) N/m;该弹簧的劲度系数 k 与其自由长度 $\mathsf { I } _ { 0 }$ (单位为 m)的关系的表达式为 $k = - \frac { 3 . 4 7 } { 1 0 }$ (在$\frac { 3 . 3 1 } { 1 0 } = \frac { 3 . 6 2 } { 1 0 }$ 之间都可以) $\mathsf { N } / \mathsf { m }$


图(a)


图(b)

参考答案

(1)81.7,0.0122

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【考点】M7:探究弹力和弹簧伸长的关系

【专题】13:实验题

【分析】(1)弹簧的圈数相同的情况下,劲度系数是相同的,根据 ${ \sf P } _ { 2 }$ 的示数,利用胡克定律即可以求得此时的劲度系数的大小;

(2)根据表中的数据直接画图即可;

【解答】解:(1)根据 ${ \sf P } _ { 2 }$ 的示数可知,${ \sf P } _ { 2 }$ 部分的原长为4.06cm,拉伸后的长度为5.26cm,根据胡克定律可得,$k = \frac { \mathtt { F } } { \triangle \mathbf { x } } = \frac { 0 . 1 \times 9 . 8 } { ( 5 . 2 6 - 4 . 0 6 ) \times 1 0 ^ { - 2 } } = 8 1 . 7 \mathsf { N } / \mathsf { m } ,$ 倒数为 $\frac { 1 } { 8 1 . 7 } { = } 0 . 0 1 2 2$

(2)根据表中的数据画出图象,如图所示:

(3)根据得到的图象可知,$\frac { \frac { 1 } { \mathrm { k } } } { \mathrm { n } } = \frac { 0 . 0 3 } { 5 0 } ,$ 解得, $\scriptstyle \mathsf { k } = { \frac { 1 . 6 7 \times 1 0 ^ { 3 } } { \mathsf { n } } }$

从题中的数据可以发现,劲度系数与自由长度的乘积近似相等,

即 $\mathsf { k l } _ { 1 } = 3 . 4 7$

所以弹簧的劲度系数k与其自由长度 $\mathsf { I } _ { 1 }$ (单位为m)的关系的表达式为 $\mathsf { k } { = } \frac { 3 . 4 7 } { 1 _ { \bar { 1 } } }$ 故答案为:(1)81.7,0.0122,

(2)如图所示;

> ③ $\frac { 1 . 6 7 \times 1 0 ^ { 3 } } { \mathrm { n } } ( \ddagger \frac { 1 . 6 6 \times 1 0 ^ { 3 } } { \mathrm { n } } { \sim } \frac { 1 . 8 3 \times 1 0 ^ { 3 } } { \mathrm { n } }$ 之间都可以);$\frac { 3 . 4 7 } { 1 0 } ( 1 5 . \frac { 3 . 3 1 } { 1 0 } \sim \frac { 3 . 6 2 } { 1 0 }$ 之间都可以)。

【点评】本题关键根据胡克定律得到弹簧弹力和长度的关系公式,分析得到图象

的物理意义,最后结合图象求解劲度系数。

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