探究弹力与弹簧伸长关系

胡克定律 · F = kx · 弹簧伸长量 · 高中力学
高考必考
初高中衔接
拖钩码挂到弹簧下端 · 观察伸长量 · 记录数据
已超过弹性限度!弹簧发生永久形变
L₀ = 10.0 cm L = 10.0 cm 钩码 拖到弹簧下端挂上 拖到这里挂上

实验引导

1观察原长:记录弹簧自然长度 L₀
2逐次加钩码:拖钩码挂到弹簧下端
3读数记录:读刻度尺,点击记录按钮
4多次测量:加 5~7 个钩码,逐次记录
5描点拟合:F-x 图自动拟合求劲度系数 k

实时数据

弹力 F
0.00 N
伸长量 x
0.00 cm
原长 L₀10.00 cm
当前长度 L10.00 cm
已挂钩码0 个
弹性状态正常

数据记录

次数F(N)L(cm)x(cm)
挂钩码后点击记录
x / cm F / N 0 5 10 15 20 0 1 2 3 4 5

显示选项

弹力箭头

胡克定律

在弹性限度内,弹簧弹力 F 与弹簧的伸长量(或压缩量)x 成正比。

  • k — 弹簧的劲度系数(N/m),由弹簧本身性质决定
  • x — 弹簧的形变量(伸长量或压缩量),x = L - L₀
  • F — 弹力(N)

注意:F = kx 中的 x 是形变量,不是弹簧长度!

弹性限度

弹簧受力超过弹性限度后,将发生永久形变,不能恢复原长。此时 F-x 关系不再是线性的。

实验中应避免超过弹性限度。当你挂了太多钩码时,弹簧变红表示已超限。

高考常考:F-x 图中超过弹性限度的部分曲线弯曲,斜率增大。

初高中衔接:弹簧测力计

初中学过的弹簧测力计,其原理正是胡克定律:弹簧伸长量与弹力成正比,所以刻度均匀。

高中的探究实验就是验证这个"成正比"的关系,并定量求出劲度系数 k。

这就是为什么弹簧测力计的刻度是均匀的!

误差分析

系统误差:弹簧自重引起的初始形变、钩码标注质量与实际质量的偏差。

偶然误差:刻度尺读数误差、弹簧未完全静止就读数。

减小误差:等弹簧静止后再读数;多次测量取平均值;用 F-x 图拟合直线代替逐次计算。

高考常考:分析 k 偏大或偏小的原因。

考点提醒:F-x 图不过原点 → 可能未扣除弹簧自重引起的初始形变,或 L₀ 测量有误。图像弯曲 → 超过弹性限度,胡克定律不再成立。

典型例题

题目:逐次挂上 50g 钩码,弹簧长度依次为 12.0, 14.0, 16.0, 18.0, 20.0 cm,原长 10.0 cm。求 k。

伸长量: x₁=2.0, x₂=4.0, x₃=6.0, x₄=8.0, x₅=10.0 cm
弹力: F₁=0.49, F₂=0.98, F₃=1.47, F₄=1.96, F₅=2.45 N
F-x 图斜率 k = ΔF/Δx = (2.45-0.49)/(0.10-0.02)
k = 1.96 / 0.08 = 24.5 N/m
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