高考物理創(chuàng)新案例(人教)實驗六 探究動能定理

歡迎進入物理課堂 一 實驗目的1 探究外力對物體做功與物體速度的關(guān)系 2 通過實驗數(shù)據(jù)分析 總結(jié)出做功與物體速度平方的正比關(guān)系 二 實驗原理1 不是直接測量對小車做功 而是通過改變橡皮筋條數(shù)確定對小車做功W 2W 3W 2 由于橡皮筋做功而使小車獲得的速度可以由紙帶和打點計時器測出 也可以用其他方法測出 這樣 進行若干次測量 就得到若干組功和速度的數(shù)據(jù) 3 以橡皮筋對小車做的功為縱坐標 小車獲得的速度為橫坐標 作出W v曲線 分析這條曲線 可以得知橡皮筋對小車做的功與小車獲得的速度的定量關(guān)系 三 實驗器材小車 前面帶小鉤 100g 200g砝碼 長木板 兩側(cè)適當?shù)膶ΨQ位置釘兩個鐵釘 打點計時器及紙帶 學生電源及導線 使用電火花計時器不用學生電源 5 6條等長的橡皮筋 刻度尺 四 實驗操作1 實驗步驟 1 按如圖實 6 1所示將實驗儀器安裝好 同時平衡摩擦力 圖實 6 1 2 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)此時橡皮筋對小車做的功為W1 將這一組數(shù)據(jù)記入表格 3 用2條橡皮筋做實驗 實驗中橡皮筋拉伸的長度與第一次相同 這樣橡皮筋對小車做的功為W2 測出小車獲得的速度v2 將數(shù)據(jù)記入表格 4 用3條 4條 橡皮筋做實驗 用同樣的方法測出功和速度 記入表格 圖實 6 2 2 實驗數(shù)據(jù)記錄 3 實驗數(shù)據(jù)處理及分析 觀察法 當橡皮筋的條數(shù)成倍增加 即合外力做的功成倍增加時 觀察小車的速度或速度的平方如何變化 有何變化規(guī)律 圖象法 在坐標紙上 圖實 6 3 畫出W v或W v2圖線 W 以一根橡皮筋做的功為單位 4 實驗結(jié)論 從圖象可知做功與物體速度變化的關(guān)系為W v2 圖實 6 3 五 注意事項1 平衡摩擦力很關(guān)鍵 將木板一端墊高 使小車重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡 方法是輕推小車 由打點計時器打在紙帶上的點的均勻程度判斷小車是否勻速運動 找到木板一個合適的傾角 2 測小車速度時 紙帶上的點應選均勻部分的 也就是選小車做勻速運動狀態(tài)的 3 橡皮筋應選規(guī)格一樣的 力對小車做的功以一條橡皮筋做的功為單位即可 不必計算出具體數(shù)值 4 小車質(zhì)量應大一些 使紙帶上打的點多一些 六 誤差分析1 誤差的主要來源是橡皮筋的長度 粗細不一 使橡皮筋的拉力做功W與橡皮筋的條數(shù)不成正比 2 沒有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力時傾角過大 3 利用打上點的紙帶計算小車的速度時 測量不準帶來誤差 例1 探究力對原來靜止的物體做的功與物體獲得的速度的關(guān)系 實驗裝置如圖實 6 4所示 實驗主要過程如下 圖實 6 4 1 設(shè)法讓橡皮筋對小車做的功分別為W 2W 3W 2 分析打點計時器打出的紙帶 求出小車的速度v1 v2 v3 3 作出W v草圖 4 分析W v圖象 如果W v圖象是一條直線 表明W v 如果不是直線 可考慮是否存在W v2 W v3 W 等關(guān)系 以下關(guān)于該實驗的說法中有一項不正確 它是 A 本實驗設(shè)法讓橡皮筋對小車做的功分別為W 2W 3W 所采用的方法是選用同樣的橡皮筋 并在每次實驗中使橡皮筋拉伸的長度保持一致 當用1條橡皮筋進行實驗時 橡皮筋對小車做的功為W 用2條 3條 橡皮筋并在一起進行第2次 第3次 實驗時 橡皮筋對小車做的功分別是2W 3W B 小車運動中會受到阻力 補償?shù)姆椒?可以使木板適當傾斜 C 某同學在一次實驗中得到一條記錄紙帶 紙帶上打出的點 兩端密 中間疏 出現(xiàn)這種情況的原因可能是沒有使木板傾斜或傾角太小 D 根據(jù)記錄紙帶上打出的點 求小車獲得的速度的方法是以紙帶上第一點到最后一點的距離來進行計算 解析 放開小車之后 小車在橡皮筋的作用下開始加速運動 等到橡皮筋與小車分離之后 小車做勻速直線運動 本實驗中測的速度是小車勻速運動的速度 而不是整個過程的平均速度 因此研究紙帶上打下的點一定是那些均勻分布的點 答案 D 例2 某同學用如圖實 6 5所示的實驗裝置探究小車動能變化與合外力對它所做功的關(guān)系 圖中A為小車 連接在小車后面的紙帶穿過打點計時器B的限位孔 它們均置于水平的一端帶有定滑輪的足夠長的木板上 C為彈簧測力計 不計繩與滑輪的摩擦 實驗時 先接通電源再松開小車 打點計時器在紙帶上打下一系列點 圖實 6 5 1 該同學在一條比較理想的紙帶上 從點跡清楚的某點開始記為O點 順次選取5個點 分別測量這5個點到O之間的距離 并計算出它們與O點之間的速度平方差 v2 v2 v2 v02 填入下表 請以 v2為縱坐標 以x為橫坐標 在方格紙中作出 v2 x圖象 若測出小車質(zhì)量為0 2kg 結(jié)合圖象可求得小車所受合外力的大小為 N 圖實 6 6 2 若該同學通過計算發(fā)現(xiàn)小車所受合外力小于測力計讀數(shù) 明顯超出實驗誤差的正常范圍 你認為主要原因是 實驗操作中改進的措施是 解析 1 根據(jù)表中數(shù)據(jù)在 v2 x坐標系中描點 然后用直線連接各點 如圖實 6 7所示 圖實 6 7 2 當小車受到向左的阻力Ff時 小車的合外力F合 FC Ff FC 如果使導軌傾斜一定角度平衡了小車的摩擦阻力 小車的合外力就等于測力計的讀數(shù)FC了 答案 1 圖象見解析0 25 2 小車滑行時所受摩擦阻力較大使木板傾斜一定的角度以平衡摩擦力 1 在 探究功與物體速度變化關(guān)系 的實驗中 每次選取紙帶后 我們應選取紙帶上的哪些點來求小車的速度 A 間距均勻的B 間距不均勻的C 間距均勻的與不均勻的都可D 最好是間距均勻的 若紙帶上沒有間距均勻的 也可用間距不均勻的 解析 橡皮筋完全恢復后不再有力對小車做功 小車做勻速運動 紙帶上的點間距是均勻的 故A對 B C錯 若紙帶上沒有間距均勻的點 說明紙帶太短 橡皮筋還沒完全恢復原狀紙帶已完全通過打點計時器 在這種情況下應選用更長的紙帶 或者是因為摩擦力沒被完全平衡 需重新平衡摩擦力 故D錯 答案 A 2 在 探究功與物體速度變化的關(guān)系 實驗中 下列敘述正確的是 圖實 6 8 A 實驗中所用的橡皮筋原長必須相同 粗細可以不同B 實驗時 不需要使每次實驗中橡皮筋伸長的長度都要相同C 放小車的長木板應該盡量使其水平D 在正確操作下 小車釋放后先做勻加速運動 再做勻速運動 解析 橡皮筋要求完全相同 A錯 長木板應抬高后端 以平衡摩擦力 C錯 由實驗操作原理及步驟知D正確 B錯誤 答案 D 3 2011 蘇州模擬 在探究恒力做功與物體的動能改變量的關(guān)系的實驗中備有下列器材 A 打點計時器 B 天平 C 秒表 D 低壓交流電源 E 電池 F 紙帶 G 細線 砝碼 小車 砝碼盤 H 薄木板 1 其中多余的器材是 填對應字母 缺少的器材是 2 測量時間的工具是 測量質(zhì)量的工具是 填對應字母 3 如圖實 6 9是打點計時器打出的小車 質(zhì)量為m 在恒力F作用下做勻加速直線運動的紙帶 測量數(shù)據(jù)已用字母表示在圖中 打點計時器的打點周期為T 請分析 利用這些數(shù)據(jù)能否驗證動能定理 若不能 請說明理由 若能 請說明出做法 并對這種做法做出評價 圖實 6 9 答案 1 C E毫米刻度尺 2 AB 3 見解析 4 某同學為探究 恒力做功與物體動能改變的關(guān)系 設(shè)計了如下實驗 他的操作步驟是 連接好實驗裝置如圖實 6 10所示 將質(zhì)量為200g的小車拉到打點計時器附近 并按住小車 在質(zhì)量為10g 30g 50g的三種鉤碼中 他挑選了一個質(zhì)量為50g的鉤碼掛在拉線的掛鉤P上 釋放小車 打開打點計時器的電源 打出一條紙帶 圖實 6 10 1 在多次重復實驗得到的紙帶中取出自認為滿意的一條 經(jīng)測量 計算 得到如下數(shù)據(jù) 第一個點到第N個點的距離為40 0cm 打下第N點時小車的速度大小為1 00m s 該同學將鉤碼的重力當作小車所受的拉力 拉力對小車做的功為 J 小車動能的增量為 J 2 此次實驗探究結(jié)果 他沒能得到 恒力對物體做的功等于物體動能的增量 且誤差很大 顯然 在實驗探究過程中忽視了各種產(chǎn)生誤差的因素 請你根據(jù)該同學的實驗裝置和操作過程幫助分析一下 造成較大誤差的主要原因有 答案 1 0 1960 100 2 小車質(zhì)量沒有遠大于鉤碼質(zhì)量 沒有平衡摩擦力 操作錯誤 先放小車后開電源 5 某實驗小組采用如圖實 6 11所示的裝置來探究 功與速度變化的關(guān)系 實驗中 小車碰到制動裝置時 鉤碼尚未到達地面 實驗的部分步驟如下 圖實 5 11 將一塊一端帶有定滑輪的長木板固定在桌面上 在長木板的另一端固定打點計時器 把紙帶穿過打點計時器的限位孔 連在小車后端 用細線跨過定滑輪連接小車和鉤碼 把小車拉到靠近打點計時器的位置 接通電源 從靜止開始釋放小車 得到一條紙帶 關(guān)閉電源 通過分析小車位移與速度的變化關(guān)系來研究合外力對小車所做的功與速度變化的關(guān)系 圖實 6 12是實驗中得到的一條紙帶 點O為紙帶上的起始點 A B C是紙帶上的三個計數(shù)點 相鄰兩個計數(shù)點間均有4個點未畫出 用刻度尺測得A B C到O的距離如圖實 6 12所示 已知所用交變電源的頻率為50Hz 問 圖實 6 12 1 打B點時刻 小車的瞬時速度vB m s 結(jié)果保留兩位有效數(shù)字 2 本實驗中 若鉤碼下落高度為h1時合外力對小車所做的功為W1 則當鉤碼下落h2時 合外力對小車所做的功為 用h1 h2 W1表示 圖實 6 13 6 利用圖實 6 14 a 所示實驗裝置可粗略測量人吹氣產(chǎn)生的壓強 兩端開口的細玻璃管水平放置 管內(nèi)塞一潮濕小棉球 實驗者從玻璃管的一端A吹氣 棉球從另一端B飛出 測得玻璃管內(nèi)部截面積S 距地面高度h 棉球質(zhì)量m 開始時棉球的靜止位置與管口B的距離為x 落地點C與管口B的水平距離為l 然后多次改變x 測出對應的l 畫出l2 x關(guān)系圖線如圖 b 所示 并由此得出相應的斜率k 圖實 6 14 1 若不計棉球在空中運動時的空氣阻力 根據(jù)以上測得的物理量可得 棉球從B端飛出時速度v0 2 假設(shè)實驗者吹氣能保持玻璃管內(nèi)氣體壓強始終為恒定值 不計棉球與管壁的摩擦 重力加速度g 大氣壓強p0均為已知 利用圖 b 中擬合直線的斜率k可得 管內(nèi)氣體壓強p 3 考慮到實驗時棉球與管壁間有摩擦力 則 2 中得到的p與實際壓強相比 填 偏大 偏小 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全