物理 第七章 機械能守恒定律 6 實驗：探究功與速度變化的關(guān)系 新人教版必修2

第七章6實驗：探究功與速度變化的關(guān)系學(xué)習(xí)目標 1.通過實驗探究力對物體做的功與物體速度變化的關(guān)系.2.學(xué)習(xí)利用圖象法探究功與速度變化的關(guān)系.內(nèi)容索引自主預(yù)習(xí)梳理 重點知識探究 當堂達標檢測自主預(yù)習(xí)梳理1.原理由鉤碼通過滑輪牽引小車，當小車的質(zhì)量比鉤碼大得多時，可以把鉤碼所受的 當作小車受到的牽引力.如圖1所示.改變鉤碼的質(zhì)量或者改變小車運動的 ，也就改變了牽引力做的功，從而探究牽引力做的功與小車獲得的速度間的關(guān)系.一、方案一借助恒力做功探究功與速度變化的關(guān)系一、方案一借助恒力做功探究功與速度變化的關(guān)系重力距離圖12.實驗步驟(1)按如圖1所示安裝好實驗儀器.(2)平衡摩擦力：將安裝有打點計時器的長木板的一端墊高，讓紙帶穿過打點計時器連在小車后端，(填“不掛”或“掛上”)鉤碼，接通電源，輕推小車，直到打點計時器在紙帶上打出 的點為止.(3)在小車中放入砝碼，把紙帶穿過打點計時器，連在小車后端，用細線繞過滑輪連接小車和鉤碼.(4)將小車停在打點計時器附近，先 ，再 ，小車運動一段時間后，關(guān)閉打點計時器電源.(5)改變鉤碼的數(shù)量，更換紙帶重復(fù)(4)的操作.不掛間隔均勻接通電源 釋放小車3.數(shù)據(jù)處理(1)選取點跡清晰的紙帶，選紙帶上第一個點及距離第一個點較遠的點，并依次標上0、1、2、3.(2)測出0到點1、點2、點3的距離，即對應(yīng)的小車的位移x1、x2、x3，利用公式vn 求出點1、點2、點3對應(yīng)的瞬時速度v1、v2、v3.(3)確定此紙帶所掛的鉤碼的重力G，利用Wn ，分別求出小車的位移為x1、x2、x3時牽引力所做的功W1、W2、W3.Gxn(4)先對測量數(shù)據(jù)進行估算，或作Wv草圖，大致判斷兩個量可能的關(guān)系，如果認為是Wv2(或其他)，然后以W為縱坐標，v2(或其他)為橫坐標作圖，從而判定結(jié)論.4.注意事項(1)平衡摩擦力時，不掛鉤碼，輕推小車后，小車能做勻速直線運動.(2)計算牽引力做功時，可以不必算出具體數(shù)值，只用位移的數(shù)值與符號G的乘積表示即可.1.原理使小車在橡皮筋的作用下彈出，如圖2所示.改變橡皮筋的條數(shù)(若n條)，橡皮筋對小車做的功分別是一條橡皮筋做功時的 ，測出小車被彈出后的速度，能夠找到橡皮筋對小車做的功與小車速度的關(guān)系.圖2二、方案二借助橡皮筋變力做功探究功與速度變化的關(guān)系二、方案二借助橡皮筋變力做功探究功與速度變化的關(guān)系n倍2.實驗步驟(1)按如圖2所示安裝實驗儀器.(2)平衡摩擦力.(3)第一次先用一條橡皮筋做實驗，用打點計時器和紙帶測出小車獲得的速度v1，設(shè)此時橡皮筋彈力對小車做的功為W，并將測得的數(shù)據(jù)記入表格.(4)換用2條、3條、4條同樣的橡皮筋做實驗，并使橡皮筋拉伸的長度都和第一次相同，測出v2、v3、v4，橡皮筋對小車做功分別為2W、3W、4W，將數(shù)據(jù)記入表格.圖33.數(shù)據(jù)處理(1)速度數(shù)值的獲得：實驗獲得的是如圖3所示的紙帶，為探究橡皮筋彈力做功與小車速度變化的關(guān)系，需要測量的是彈力做功結(jié)束時小車的速度，即小車做 的速度.所以，應(yīng)該在紙帶上測量的物理量是圖中間隔均勻的點A1、A3間的距離x，小車此時速度的表達式為v ，其中T是打點計時器的打點周期.勻速運動(2)計算橡皮筋彈力對小車做的功分別為W、2W、3W時對應(yīng)的v、v2、v3、的數(shù)值，填入表格.WvnW2W3W4W5Wv v2 v3 (3)逐一與W的一組數(shù)值對照，判斷W與v、v2、v3、的可能關(guān)系或嘗試著分別畫出W與v、W與v2、W與v3、W與 間關(guān)系的圖象，找出哪一組的圖象是直線，從而確定功與速度的正確關(guān)系.4.注意事項(1)實驗時選擇粗細、形狀、長度、材料完全相同的橡皮筋.(2)每次實驗時都讓小車從同一位置由靜止釋放，即保證每次實驗中橡皮筋拉伸的長度都保持一致.(3)實驗中不必算出功的具體數(shù)值，只要測出以后各次實驗時做的功是第一次實驗時的多少倍即可.(4)平衡摩擦力時，不要拴橡皮筋，但應(yīng)連著紙帶且接通電源.(5)打出的紙帶上的點間距并不都是均勻的，應(yīng)選取點間距均勻部分來求小車的速度.重點知識探究一、借助恒力做功探究功與速度變化的關(guān)系例例1為了探究“合力做功與速度變化的關(guān)系”，某學(xué)習(xí)小組在實驗室組裝了如圖4所示的裝置，備有下列器材：打點計時器所用的學(xué)生電源、導(dǎo)線、復(fù)寫紙、天平、細沙.他們稱得滑塊的質(zhì)量為M、沙和小桶的總質(zhì)量為m.當滑塊連接上紙帶，讓細線跨過光滑滑輪并懸掛空的小桶時，滑塊處于靜止狀態(tài).要完成該實驗，請回答下列問題：(1)要完成本實驗，還缺少的實驗器材是_.答案毫米刻度尺圖4(2)實驗時為保證滑塊受到的合力與沙、小桶的總重力大小基本相等，沙和小桶的總質(zhì)量應(yīng)滿足的實驗條件是_，實驗時為保證細線拉力等于滑塊所受的合力，首先要做的步驟是_.答案沙和小桶的總質(zhì)量遠小于滑塊的質(zhì)量平衡摩擦力(3)在滿足(2)問的條件下，讓小桶帶動滑塊加速運動，如圖5所示為打點計時器所打的紙帶的一部分，圖中A、B、C、D、E是按時間先后順序確定的計數(shù)點，相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T，相鄰計數(shù)點間的距離已標注在圖上，當?shù)刂亓铀俣葹間，在B、D兩點間對滑塊進行研究，合力對滑塊做的功為_，vB_，vD_(用題中所給的代表數(shù)據(jù)的字母表示).答案mg(x2x3)圖5例例2某學(xué)習(xí)小組做“探究功與速度變化的關(guān)系”的實驗裝置如圖6所示，圖中小車是在一條橡皮筋作用下彈出的，沿木板滑行，這時，橡皮筋對小車做的功記為W.當用2條、3條、完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次、實驗時(每次實驗中橡皮筋伸長的長度都保持一致)，每次實驗中小車獲得的速度根據(jù)打點計時器所打在紙帶上的點進行計算.(1)除了圖中已有的實驗器材外，還需要導(dǎo)線、開關(guān)、刻度尺和_(選填“交流”或“直流”)電源.答案交流二、借助橡皮筋做功探究功與速度變化的關(guān)系圖6解析解析解析打點計時器使用的是交流電源.(2)實驗中，小車會受到摩擦阻力的作用，可以使木板適當傾斜來平衡摩擦阻力，則下面操作正確的是A.放開小車，能夠自由下滑即可B.放開小車，能夠勻速下滑即可C.放開拖著紙帶的小車，能夠自由下滑即可D.放開拖著紙帶的小車，能夠勻速下滑即可解析解析解析平衡摩擦力時，應(yīng)將紙帶穿過打點計時器系在小車上，放開拖著紙帶的小車，小車以及紙帶與打點計時器之間的摩擦力和小車的重力沿木板方向的分力平衡，故D正確.答案(3)若木板水平放置，小車在兩條橡皮筋作用下運動，當小車速度最大時，關(guān)于橡皮筋所處的狀態(tài)與小車所在的位置，下列說法正確的是A.橡皮筋處于原長狀態(tài)B.橡皮筋仍處于伸長狀態(tài)C.小車在兩個鐵釘?shù)倪B線處D.小車已過兩個鐵釘?shù)倪B線答案解析解析解析木板水平放置，未平衡摩擦力.放開小車后，小車做加速運動，當橡皮筋的拉力大小等于摩擦力大小時，小車的速度最大，此時橡皮筋仍處于伸長狀態(tài)，B正確.(4)在操作正確的情況下，打在紙帶上的點并不都是均勻的，為了測量小車獲得的速度，應(yīng)選用圖7紙帶的_(填“AG”或“GJ”)部分進行測量.圖7答案GJ解析解析解析從紙帶上看，紙帶的GJ段打點比較均勻，所以應(yīng)選用紙帶的GJ段進行測量.例例3在做“探究功與物體速度變化的關(guān)系”的實驗時，小車的質(zhì)量為m，使用橡皮筋6根，每次增加一根，實驗中W、v、v2的數(shù)據(jù)已填在表格中.Wv(ms1)v2/(m2s2)00010.800.6421.101.2131.281.6441.532.3451.763.1061.893.57(1)試在圖8甲、乙中作出相應(yīng)關(guān)系圖象.圖8答案答案答案 見解析圖解析解析解析將表中的數(shù)據(jù)分別描在題圖甲、乙所示的兩個坐標系中，然后在圖甲中用平滑曲線連接，在圖乙中用傾斜直線連接，并且使盡可能多的點分布在曲線上或?qū)ΨQ分布在直線兩側(cè)，如圖甲和乙所示.(2)從圖象可以得出的實驗結(jié)論是_.答案Wv2解析解析解析從乙圖看出Wv2.當堂達標檢測1.(借助恒力做功探究功與速度變化的關(guān)系)質(zhì)量為1 kg的重物自由下落，通過打點計時器在紙帶上記錄運動過程，打點計時器所接電源為6 V、50 Hz的交流電源.如圖9所示，紙帶上O點為重物自由下落時紙帶打點的起點，選取的計數(shù)點A、B、C、D、E、F、G依次間隔一個點(圖中未畫出)，各計數(shù)點與O點之間的距離依次為31.4、70.6、125.4、195.9、282.1、383.8、501.2，單位為mm.12圖9(1)求出B、C、D、E、F各點的速度，并填入下表：解析計數(shù)點BCDEFv/(ms1)答案1.18 1.57 1.96 2.35 2.74同理，vC1.57 m/s，vD1.96 m/s，vE2.35 m/s，vF2.74 m/s12計數(shù)點BCDEFW/J 同理，WC1.23 J，WD1.92 J，WE2.76 J，WF3.76 J.(2)求出重物下落時從O點到圖中各點過程中重力所做的功(g取9.8 m/s2)，并填入下表：答案0.69 1.23 1.92 2.76 3.76 解析12(3)適當選擇坐標軸，在圖10中作出重物重力做的功與重物速度之間的關(guān)系圖象.圖中縱坐標表示_，橫坐標表示_，由圖可得重力所做的功與_成_關(guān)系.答案圖10答案答案如圖所示重力做的功W重物速度的重物速度的平方v2正比平方v2122.(借助橡皮筋做功探究功與速度變化的關(guān)系)為了探究對物體做功與物體速度變化的關(guān)系，現(xiàn)提供如圖11所示的器材，讓小車在橡皮筋的作用下彈出后，沿長木板滑行，請思考探究思路并回答下列問題(打點計時器交流電頻率為50 Hz).(1)為了消除摩擦力的影響應(yīng)采取的措施是：_.解析圖11答案答案答案見解析解析解析將長木板有打點計時器的一端墊起適當?shù)母叨龋剐≤噭蛩傧禄?12(2)當我們分別用同樣的橡皮筋1條、2條、3條并用來進行第1次、第2次、第3次實驗時，每次實驗中橡皮筋拉伸的長度都應(yīng)保持一致，我們把第1次實驗時橡皮筋對小車做的功記為W.(3)由于橡皮筋對小車做功而使小車獲得的速度可以由打點計時器和紙帶測出，如圖12所示是其中四次實驗打出的部分紙帶.圖1212次數(shù)1234橡皮筋對小車做功W 小車速度v/(ms1)v2/(m2s2)(4)試根據(jù)(2)、(3)中的信息，填寫下表.解析從表中數(shù)據(jù)可得出結(jié)論：_.答案答案答案見解析12次數(shù)1234橡皮筋對小車做功W2W3W4W小車速度v/(ms1)1.01.4151.732.0v2/(m2s2)1.02.03.04.0從表中數(shù)據(jù)可以得出：橡皮筋對小車做的功與小車速度的平方成正比.12