题目内容

归纳式探究--研究弹簧的刚性系数:
我们知道,弹簧受到的拉力越大,弹簧伸长的长度就越大.但是,用同样大小的力去拉两只不同的弹簧,伸长的长度不同,这说明弹簧有“软”、“硬”之分,容易被拉伸的弹簧比较软,反之比较硬.弹簧的软硬用它的刚性系数来表示.刚性系数越大,弹簧越硬.
为了研究弹簧的刚性系数与哪些因素有关,通过有关实验探究,取得数据如下(其中:S为制造弹簧的金属丝的横截面积,n为弹簧的匝数,r为弹簧的半径,A为弹簧的刚性系数):
材料S/m2nr/mA/
铜3×10-61001×10-290
钢3×10-61001×10-2180
铜6×10-61001×10-2360
钢3×10-62001×10-290
铜6×10-61002×10-245
(1)A=k______,其中k与制造弹簧的材料有关,材料不同,k值一般不同.上述实验中钢的k值k钢=______(填上数值和单位).将数据变成公式,运用的是______法.
(2)用粗细相同的铜丝做成半径相同但匝数不同的弹簧,则弹簧的刚性系数和匝数的关系可以用图象中的图线______表示.
(3)如果用粗细相同的铜丝和钢丝做成匝数和半径相同的弹簧,都用1ON的力拉伸时,
用______做成的弹簧变得更长.
(4)用横截面积为9×l0-6m2的钢丝制成一个60匝、刚性系数为100N/m的弹簧,则该弹簧的半径为______m.

【答案】分析:(1)实验中主要有四个变量,分别为材料、横截面积、弹簧匝数和弹簧的半径,根据控制变量法的要求,分别比较第2、4行数据,3、5行数据,4、6行数据,可分析出横截面积、弹簧匝数和弹簧的半径与A的关系,最终归纳出表达式,再利用表达式可计算出钢的k值,这种方法叫做等价变换法;
(2)通过刚性系数的表达式,可以看出,在其他条件相同时,弹簧的匝数越多,其刚性系数越小,因此,b是符合题意的;
(3)通过表格可以看出铜与钢谁的刚性系数更大,再根据相同条件下,刚性系数越大的弹簧越难被拉伸这一规律可做出判断;
(4)利用归纳得出的公式,将数据代入进行计算可得出弹簧的半径.
解答:解:(1)根据控制变量法的要求,比较第2、4行数据可得,横截面积S之比的平方,等于刚性系数A之比;比较第3、5行数据可得,弹簧的匝数n扩大一倍,刚性系数A减小一半;比较第4、6行数据可得,弹簧的半径r之比的平方,等于刚性系数A之比.综合以上分析可得,A=k?;
选择第3行数据代入公式A=k?得,180N/m=k?,解得k=2×109N/m2;
将数据变在公式,这种方法叫做等价变换法.
(2)观察图象可知,a为成正比图象,b是A随弹簧匝数n的增加而减小,故图象b与研究的数据结果相符;
(3)比较表格第2、3行中的刚性系数A可知,钢的刚性系数大于铜的刚性系数,因此,在相同条件下,铜做成的弹簧会更容易被拉长;
(4)由刚性系数的公式变形得,r=,代入数据解得,r=3×10-2m.
故答案为:(1);2×109N/m2;等价变换. (2)b.(3)铜. (4)3×10-2.
点评:本实验中的变量比较多,在分析数据时,必须在保证其他变量不变的情况下,依次分析其中的一个变量与刚性系数之间的关系,最终综合成公式的形式,这种归纳研究的方法称为等价变换;有了刚性系数的公式,剩余的问题基本要从公式入手进行分析和计算.
练习册系列答案
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我们知道,弹簧受到的拉力越大,弹簧伸长的长度就越大.但是,用同样大小的力去拉两只不同的弹簧,伸长的长度不同,这说明弹簧有“软”、“硬”之分,容易被拉伸的弹簧比较软,反之比较硬.弹簧的软硬用它的刚性系数来表示.刚性系数越大,弹簧越硬.
为了研究弹簧的刚性系数与哪些因素有关,通过有关实验探究,取得数据如下(其中:S为制造弹簧的金属丝的横截面积,n为弹簧的匝数,r为弹簧的半径,A为弹簧的刚性系数):
材料 S/m2 n r/m A/(N?m-1)
铜 3×10-6 100 1×10-2 90
钢 3×10-6 100 1×10-2 180
铜 6×10-6 100 1×10-2 360
钢 3×10-6 200 1×10-2 90
铜 6×10-6 100 2×10-2 45
(1)A=k
S2
nr3
S2
nr3
,其中k与制造弹簧的材料有关,材料不同,k值一般不同.上述实验中钢的k值k钢=
2×109N/m2
2×109N/m2
(填上数值和单位).将数据变成公式,运用的是
等价变换
等价变换
法.
(2)用粗细相同的铜丝做成半径相同但匝数不同的弹簧,则弹簧的刚性系数和匝数的关系可以用图象中的图线
b
b
表示.
(3)如果用粗细相同的铜丝和钢丝做成匝数和半径相同的弹簧,都用1ON的力拉伸时,
用
铜
铜
做成的弹簧变得更长.
(4)用横截面积为9×l0-6m2的钢丝制成一个60匝、刚性系数为100N/m的弹簧,则该弹簧的半径为
3×10-2
3×10-2
m.

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