Question

佛山市九江大桥撞船事故发生后，佛山交通部门加强了对佛山市内各种大桥的检测与维修，其中对西樵大桥实施了为期近一年的封闭施工，置换了大桥上所有的斜拉悬索．某校研究性学习小组的同学们很想知道每根长50m、横截面积为400cm²的新悬索能承受的最大拉力．由于悬索很长，抗断拉力又很大，直接测量很困难，于是同学们取来了同种材料制成的样品进行实验探究．
由胡克定律可知，在弹性限度内，弹簧的弹力F与形变量x成正比，其比例系数与弹簧的长度、横截面积及材料有关．因而同学们猜想，悬索可能也遵循类似的规律．
（1）同学们准备像做“探究弹力与弹簧伸长的关系”实验一样，先将样品竖直悬挂，再在其下端挂上不同重量的重物来完成本实验．但有同学说悬索的重力是不可忽略的，为了避免悬索所受重力对实验的影响，你认为可行的措施是：______．
（2）同学们通过游标卡尺测量样品的直径来测定其横截面积，某次测量的结果如图所示，则该样品的直径为______cm．

（3）同学们经过充分的讨论，不断完善实验方案，最后测得实验数据如右表：
①分析样品C的数据可知，其所受拉力F（单位：N）与伸长量x（单位：m）所遵循的函数关系式是______．
②对比各样品的实验数据可知，悬索受到的拉力与悬索的伸长量成正比，其比例系数与悬索长度的______成正比、与悬索的横截面积的______成正比．

样品	长度/m	截面积/cm2伸长量/cm 拉力/N	200	400	600	800
A	1	0.50	0.02	0.04	0.06	0.08
B	2	0.50	0.08	0.16	0.24	0.32
C	1	1.00	0.01	0.02	0.03	0.04
D	3	0.50	0.18	0.36	0.54	0.72
E	1	0.25	0.04	0.08	0.12	0.32

Answer 1

解：（1）为了避免悬索所受重力对实验的影响，你认为可行的措施是：将悬索样品一端固定并水平放置在光滑水平面上，另一端连接轻绳绕过滑轮悬挂钩码．
（2）游标卡尺的主尺读数为8mm，游标读数为6×0.05mm=0.30mm，所以最终读数为0.830cm．
（3）①从样品C的实验数据可知：拉力每增加200N，悬索的伸长量增加0.01cm所以悬索的伸长量与拉力成正比例关系．
则其关系式为：F=kx，所以得出系数k：k=，当F=200N，x=0.01cm=10^-4m时：k=2×10⁶N/m．由此得出拉力F的关系式为：F=2×10⁶x，比例系数的单位为：N/m．
②从样品A、C、E的数据知：悬索的长度相同时，悬索的横截面积越小，受到拉力时悬索的伸长量越大，比例系数与悬索的横截面积的大小成正比；
从样品A、B、D的数据知：悬索的横截面积相同时，悬索的长度越长，受到拉力时悬索的伸长量越大，其比例系数与悬索长度的平方的倒数成正比．
故答案为：（1）将悬索样品一端固定并水平放置在光滑水平面上，另一端连接轻绳绕过滑轮悬挂钩码
（2）0.830　
（3）①F=2×10⁶x　
②平方的倒数　大小
分析：（1）为了避免悬索所受重力对实验的影响，应该按照平衡重力的思路解决问题．
（2）游标卡尺读数的方法是主尺读数加上游标读数，不需估读．
（3）从样品C的数据可知：当拉力增大时，悬索的伸长量也增加，所以悬索的伸长量与拉力是正比例关系，据此可求出关系式，而系数的单位可通过单位的计算求出，当知道拉力时根据关系式也可求出伸长量．要知道比例系数与什么物理量有关，我们可用控制变量法来进行探究．
点评：本题考查学生对“探究弹力与弹簧伸长的关系”实验的迁移能力、对游标卡尺的读数原理的掌握和从图表归纳所需信息的能力，还考查了学生的逻辑推理能力、运用数学知识解决物理问题的能力和实验探究能力．