資源簡介

探究彈簧伸長量與所受拉力的關系實驗創(chuàng)新教學設計
一、使用教材
本實驗是人教版初中物理八年級下冊第七章第二節(jié)《彈力》中的內(nèi)容。
二、實驗器材
(
彈簧
A
彈簧
B
彈簧
C
彈簧
D
彈簧
E
“探究彈簧伸長量與所受拉力的關系”演示儀
)
圖1 自制彈簧伸長量與拉力定量關系實驗器實物圖
如圖1所示為自制探究彈簧伸長量與拉力定量關系的實驗裝置，實驗裝置包括：拉伸彈 簧3個、壓縮彈簧2個、力傳感器5個、位移傳感器1對、拉桿、固定旋鈕和滑軌。
三、實驗改進要點
1.教師利用自制實驗器材探究彈簧伸長量和所受拉力的關系，實驗裝置利用數(shù)字傳感器 去測量彈簧拉力和彈簧伸長量，使得學生操作和數(shù)據(jù)處理更加簡便。
2.將彈簧水平放置，減小了彈簧自身重力對實驗的影響。
3.為了得到普遍規(guī)律，自制教具設置了可一次性探究多個彈簧的拉桿裝置，避免因反復 操作導致實驗效率低的問題。
4.裝置創(chuàng)新性設計并探究當彈簧超出彈性限度時，彈簧的伸長量與所受拉力的關系。 5.裝置設計兩組壓縮彈簧，可作為拓展實驗去探究彈簧壓縮量與所受壓力的關系。
四 、實驗設計思路
根據(jù)對傳統(tǒng)實驗過程的思考，對實驗做進一步的改進：
如圖2所示為裝置模型圖，將力傳感器固定于木板一側(cè)，彈簧一端與力傳感器相連，另 一端與硬棒相連，硬棒穿過固定螺母，螺母固定在底座上，底座通過上下兩根滑軌左右移動， 從而拉伸彈簧。上端滑軌安裝位移傳感器，能夠測得相應拉力下的伸長量。通過旋緊固定螺 母選擇某一彈簧進行研究，也可以旋緊幾顆固定螺母同時研究。彈簧C 、D 為壓縮彈簧，可 供學生進行探究彈簧壓縮量與其所受壓力的關系的拓展實驗。
(
位移
接收器
滑軌
-
WW-
分固定螺母
-
WM-
B
W
C
000000
D
1000000
E
力傳感器
彈簧
硬棒
固定硬棒與滑桿
滑桿
拉伸或壓縮彈簧
總固定螺母
固定滑桿
位移
發(fā)射器
亞克力管
位移零點
O
)
圖2實驗裝置模型圖
五、實驗教學目標
基于核心素養(yǎng)下的教學目標：
1.物理觀念：知道彈簧測力計的工作原理，形成對物體受力與形變關系的科學認知和正 確的相互作用觀念。
2.科學思維：從物理學視角認識客觀事物的內(nèi)在規(guī)律及相互關系，初步建構(gòu)基本的彈簧 物理模型，培養(yǎng)提出創(chuàng)造性見解的能力與品格。
3.科學探究：通過探究彈簧伸長量與所受拉力關系，掌握實驗操作、數(shù)據(jù)分析與處理的 基本方法，提升科學探究能力。
4.科學態(tài)度和責任：能基于實驗事實發(fā)表自己的見解與猜想，養(yǎng)成實事求是的科學素養(yǎng)， 增強與人交流合作能力。
六、實驗教學內(nèi)容
(一)課標分析
2022版義務教育物理課程標準對本內(nèi)容的要求為“認識彈簧測力計，能正確使用彈簧 測力計感受和測量力”。學生要正確認識和使用彈簧測力計的前提是知道彈簧測力的工作原 理，了解彈簧測力計的構(gòu)造。同時，課標指出“義務教育物理課程應與小學科學和高中物理 課程相銜接”和“測量類實驗教學應引導學生了解測量原理”,探究彈簧伸長量與所受拉力 關系為了解彈簧測力計工作原理的拓展實驗，既是對小學科學中彈簧測力計認識和使用的升 華，也能與高中胡克定律緊密銜接。
(二)教學內(nèi)容分析
探究彈簧伸長量與拉力關系的實驗是人教版八年級下冊第七章第2節(jié)《彈力》中的拓展 實驗。彈簧測力計是力學中常用的基本測量工具，對于認識彈力、重力、摩擦力、浮力等概 念具有重要意義，彈簧測力計的原理是認識彈簧測力計的基礎，也是對彈性知識和彈力知識 的具體應用。在教材中，對于彈簧測力計的原理僅有文字敘述，在日常教學中，大部分教師 會選擇彈簧下端掛鉤碼的實驗來探究彈簧伸長量與所受拉力的關系。
(三)學情分析
1.知識角度：在學習本節(jié)課之前，學生已經(jīng)學習了力的作用效果、力的三要素等知識， 為本節(jié)的學習打下了基礎。
2.能力角度：八年級學生已初步具備觀察實驗、分析實驗的能力，能夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)進行
簡單處理，但學生難以對定量實驗中的數(shù)據(jù)進行有效分析，需要教師加強引導。
(四)教學重點難點
1.教學重點：通過實驗和理論探究彈簧伸長量與所受拉力成正比的定量關系； 2.教學難點：引導學生在探究過程中認真觀察、分析數(shù)據(jù)，得出科學結(jié)論。
(五)傳統(tǒng)實驗
1.傳統(tǒng)實驗設計思路
傳統(tǒng)實驗如圖3所示，將彈簧豎直懸掛在鐵架臺上，在彈簧下端掛上鉤碼，用鉤碼產(chǎn)生 拉力，將鉤碼重力大小作為拉力大小。用刻度尺測量出彈簧的原長和拉伸后的總長度，用總 長度減去原長從而計算伸長量，改變鉤碼的個數(shù)，得到多組數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理從而得出 彈簧彈力與形變量間的關系。
圖3傳統(tǒng)實驗
2.傳統(tǒng)實驗存在的不足
(1)實驗數(shù)據(jù)采集麻煩，數(shù)據(jù)處理步驟繁瑣。
(2)難以反映彈簧超出彈性限度時伸長量和拉力的關系。
(3)無法實現(xiàn)探究彈簧壓縮量與所受壓力關系的拓展實驗。
(4)實驗耗時較長，影響課堂效率。
(六)實驗改進
為了解決傳統(tǒng)實驗的不足，我們對該實驗裝置進行了改進：
1.進行數(shù)字化改進，用DISLab 力傳感器代替鉤碼產(chǎn)生拉力，用位移傳感器顯示彈簧長 度的變化，既能直接顯示數(shù)據(jù)值的大小，還可以傳輸?shù)接嬎銠C進行進一步的自動化數(shù)據(jù)分析 處理。
2.將豎直放置的彈簧改為水平放置，可實現(xiàn)拉伸彈簧和壓縮彈簧兩種實驗探究。
3.一次操作可以同時拉伸多根彈簧，得到多組數(shù)據(jù)，減少了實驗次數(shù)，有利于提高課堂 效率。
4.補充了一組彈性限度較小的彈簧，專門用于探究超出彈性限度時，彈簧伸長量與拉力 大小的關系，與前面的數(shù)據(jù)進行對比。
5.在裝置中增加兩組壓縮彈簧，用于拓展探究彈簧壓縮量與彈力大小的關系。
七、實驗教學過程
(一)提出問題
彈簧測力計的工作原理是什么
(二)設計實驗
學生用傳統(tǒng)的實驗儀器定量探究彈簧的伸長量與所受拉力的關系后，教師用力傳感器測 量彈簧受到的拉力，并改變拉力大小，用位移傳感器測量出對應的彈簧伸長量，然后通過計
算機對數(shù)據(jù)進行分析和處理，得出結(jié)論。
(三)實驗方法
本實驗主要采用了探究法
(
彈簧
A
彈簧
B
彈簧
C
彈簧
D
彈簧巨
“探究彈簧伸長量與所受拉力的關系”演示儀
)
圖 4 實 驗 裝 置
(四)實驗步驟
1.組裝好實驗器材，將力傳感器和位移傳感器接入電腦、打開DISLab 配套軟件，添加 計算表格，準備開始實驗。
2.選取需要彈簧，擰緊固定旋鈕，將對應的木棒固定在拉桿上，用不同的力拉彈簧，同 時在軟件中采集并記錄數(shù)據(jù)。
3.實驗操作結(jié)束，將滑桿拉回原位，松開固定旋鈕，關閉傳感器。
4.觀察、分析獲取的數(shù)據(jù)，以F 拉為縱坐標，△l 為橫坐標去繪制分散點(描點),再擬合 F 拉與△I的關系圖象(作圖),得出結(jié)論。
(五)實驗數(shù)據(jù)
學生利用傳統(tǒng)探究實驗數(shù)據(jù)如圖5所示：
鉤碼個數(shù)/n 0 1 2 3 4 5 6 7
施加的拉力F拉/N 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3.5
彈簧長度l/cm
伸長量△l/cm
圖5學生所測實驗數(shù)據(jù)
從數(shù)據(jù)可以得出定性結(jié)論：當彈簧受到的拉力越大，彈簧的伸長量越大。再進一步分析： 當拉力F 從0.5N變?yōu)?N 時，變?yōu)樵瓉淼?倍時，伸長量△I從2.50cm變?yōu)?.70cm, 大致 也變?yōu)樵瓉淼?倍，當拉力F 從 1N 變?yōu)?N 時，變?yōu)樵瓉淼?倍時，伸長量△I從2.50cm 變?yōu)?.85cm, 大致也變?yōu)樵瓉淼?倍，由此可猜想F 拉與△可能成正比，為了驗證猜想，在 坐標紙中以△I為橫坐標，F(xiàn) 拉為縱坐標進行描點，再作出F 拉與△的關系圖象：
(
個拉力
F/N
1.5
0.5
伸長量△Al/cm
)
圖6學生實驗數(shù)據(jù)圖像
如圖6所示，F(xiàn) 拉與Al的圖像是一條近似過原點的傾斜直線，由此可以初步得到該彈簧伸長 量與所受拉力成正比。
(
通用
)為了得到普遍規(guī)律，要更換不同的彈簧多次進行實驗，教師將利用自制教具進行拓展探究， 同時拉伸3根不同的彈簧，進行演示實驗。實驗數(shù)據(jù)圖像如圖7所示。
軟件8.0 計算表格控制 (
.00℃
0.0
)
計算表格 SI F2 F3 F4
1 0.0 -0.02 0.00 0.00
新建 打 開 2 0.0 -0.02 0.00 0.01
EXCE 保存
3 5.4 1.36 0.68 5.09
(x)變量 公式
4 7.1 1.78 0.87 6.79
自動記示 D 5 8.0 2.09 1.01 8.1l
6 9.2 2.36 1.14 9.15
間隔：0.1s 米樣條件：米集600杪
7 10.3 2.67 1.27 10.44
手動記錄 擊記錄 8 11.8 2.97 1.40 11.45
9 13.4 3.37 1.58 12.96
數(shù)據(jù)分析 求平均 繪圖 10 14.8 3.71 1.75 14.00
11 16.2 4.04 1.89 14.86
12 17.6 4.41 2.07 15.48
13 18.6 4.66 2.17 1592
14 19.8 4.92 2.30 16.23
15 20.5 5.11 2.38 16.35
16 21.0 5.26 2.45 16.50
17 21.5 5.38 2.50 16.61
圖7教師所測三組彈簧的實驗數(shù)據(jù)
在配套軟件中以△I為橫坐標，F(xiàn) 拉為縱坐標繪制彈簧A 、B 、C的分散點(描點),再分別 線性擬合F 拉與△I的關系圖象(作圖)如圖8所示：
圖8彈簧A 、B 、C實驗數(shù)據(jù)擬合圖象
其中綠色圖象為彈簧A 的擬合圖象、藍色圖象為彈簧B 的擬合圖象，紅色圖象為彈簧 C 的擬合圖象，通過圖象可知，彈簧A 、B 的伸長量與所受拉力都成正比，而彈簧C 當所 受拉力超過一定值時，其伸長量與所受拉力不再成正比，同時可觀察到撤去外力后，彈簧C 不能恢復原狀(如圖9、圖10所示),則彈簧C 已經(jīng)超過了彈性限度，則說明在彈性限度 外，彈簧的伸長量與它所受拉力成不正比。
圖 9 彈 簧C 實驗前 圖10彈簧C 實驗后
(六)實驗結(jié)論
綜上可得到實驗結(jié)論為：在彈性限度內(nèi)，彈簧的伸長量與它所受拉力成正比。
由于彈簧的拉力可以影響彈簧的伸長量，因此也可以反過來通過彈簧的伸長量來反映拉 力的大小。將彈簧的上端連上吊環(huán)彈簧的下端連上指針和掛鉤，裝上刻度盤，這樣就變成了 可以用來測量力的大小的工具，彈簧測力計。因此，彈簧測力計的原理就是在彈性限度內(nèi)， 彈簧的伸長量與它所受拉力成正比，通過彈簧的伸長量來反映拉力的大小實質(zhì)就是通過力的 作用效果來反應力的大小。
(七)實驗拓展
除了彈簧測力計中使用的拉斯彈簧外，生活中還有許多常見的壓縮彈簧嗎，例如按動筆 中的壓縮彈簧，利用本儀器可拓展探究彈簧的壓縮量與所受壓力的關系。將滑桿拉至右側(cè)， 擰緊彈簧D 、E 的固定螺母，用手按壓彈簧，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。再利用計算機對數(shù)據(jù) 進行處理后，可得到在彈性限度內(nèi)，彈簧的壓縮量與所受壓力成正比。
● 彈簧D· 彈簧E —線性(彈簧D) — 線性(彈簧E) 圖11 彈簧D 、E 實驗數(shù)據(jù)圖像
八、實驗效果評價
1.數(shù)字化實驗，操作簡便，數(shù)據(jù)直觀。
2.可同時拉伸或壓縮多根彈簧，有效提高課堂效率。
3.能形象直觀地反映超出彈性限度后彈簧彈力的變化規(guī)律，降低了學生的思維難度。
4.填補了學生直接從定性關系到彈簧測力計構(gòu)造的思維空白，源于教材，又高于教材。

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