物理 第七章 機(jī)械能守恒定律 6 實(shí)驗(yàn)：探究功與速度變化的關(guān)系 新人教版必修2

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1、第七章6實(shí)驗(yàn)：探究功與速度變化的關(guān)系學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.通過實(shí)驗(yàn)探究力對(duì)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(diǎn)知識(shí)探究 當(dāng)堂達(dá)標(biāo)檢測(cè)自主預(yù)習(xí)梳理1.原理由鉤碼通過滑輪牽引小車，當(dāng)小車的質(zhì)量比鉤碼大得多時(shí)，可以把鉤碼所受的 當(dāng)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(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)步驟(1)按如圖1所示安裝好實(shí)驗(yàn)儀器.(2)平衡摩擦力：將安裝有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器

2、的長(zhǎng)木板的一端墊高，讓紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出 的點(diǎn)為止.(3)在小車中放入砝碼，把紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，連在小車后端，用細(xì)線繞過滑輪連接小車和鉤碼.(4)將小車停在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器附近，先 ，再 ，小車運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，關(guān)閉打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(diǎn)跡清晰的紙帶，選紙帶上第一個(gè)點(diǎn)及距離第一個(gè)點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn)，并依次標(biāo)上0、1、2、3.(2)測(cè)出0到點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3的距離，即對(duì)應(yīng)的小車的位移x1、x2、x3，利用公式vn 求出點(diǎn)1、點(diǎn)2

3、、點(diǎn)3對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)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(shí)牽引力所做的功W1、W2、W3.Gxn(4)先對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，或作Wv草圖，大致判斷兩個(gè)量可能的關(guān)系，如果認(rèn)為是Wv2(或其他)，然后以W為縱坐標(biāo)，v2(或其他)為橫坐標(biāo)作圖，從而判定結(jié)論.4.注意事項(xiàng)(1)平衡摩擦力時(shí)，不掛鉤碼，輕推小車后，小車能做勻速直線運(yùn)動(dòng).(2)計(jì)算牽引力做功時(shí)，可以不必算出具體數(shù)值，只用位移的數(shù)值與符號(hào)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(duì)小車做的功分別是一條橡皮筋做功時(shí)的 ，

4、測(cè)出小車被彈出后的速度，能夠找到橡皮筋對(duì)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(shí)驗(yàn)步驟(1)按如圖2所示安裝實(shí)驗(yàn)儀器.(2)平衡摩擦力.(3)第一次先用一條橡皮筋做實(shí)驗(yàn)，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶測(cè)出小車獲得的速度v1，設(shè)此時(shí)橡皮筋彈力對(duì)小車做的功為W，并將測(cè)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(shí)驗(yàn)，并使橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度都和第一次相同，測(cè)出v2、v3、v4，橡皮筋對(duì)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(shí)驗(yàn)獲得的是如圖3所示的紙帶，

5、為探究橡皮筋彈力做功與小車速度變化的關(guān)系，需要測(cè)量的是彈力做功結(jié)束時(shí)小車的速度，即小車做 的速度.所以，應(yīng)該在紙帶上測(cè)量的物理量是圖中間隔均勻的點(diǎn)A1、A3間的距離x，小車此時(shí)速度的表達(dá)式為v ，其中T是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期.勻速運(yùn)動(dòng)(2)計(jì)算橡皮筋彈力對(duì)小車做的功分別為W、2W、3W時(shí)對(duì)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(duì)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(xiàng)(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇粗細(xì)、形狀、長(zhǎng)度、材料完

6、全相同的橡皮筋.(2)每次實(shí)驗(yàn)時(shí)都讓小車從同一位置由靜止釋放，即保證每次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度都保持一致.(3)實(shí)驗(yàn)中不必算出功的具體數(shù)值，只要測(cè)出以后各次實(shí)驗(yàn)時(shí)做的功是第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)的多少倍即可.(4)平衡摩擦力時(shí)，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(diǎn)間距并不都是均勻的，應(yīng)選取點(diǎn)間距均勻部分來求小車的速度.重點(diǎn)知識(shí)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(shí)驗(yàn)室組裝了如圖4所示的裝置，備有下列器材：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用的學(xué)生電源、導(dǎo)線、復(fù)寫紙、天平、細(xì)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(dāng)滑塊連接上紙帶，讓

7、細(xì)線跨過光滑滑輪并懸掛空的小桶時(shí)，滑塊處于靜止?fàn)顟B(tài).要完成該實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)回答下列問題：(1)要完成本實(shí)驗(yàn)，還缺少的實(shí)驗(yàn)器材是_.答案毫米刻度尺圖4(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)條件是_，實(shí)驗(yàn)時(shí)為保證細(xì)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(yuǎn)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(dòng)滑塊加速運(yùn)動(dòng)，如圖5所示為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打的紙帶的一部分，圖中A、B、C、D、E是按時(shí)間先后順序確定的計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T，相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離已標(biāo)注在圖上，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，在B、D兩點(diǎn)間對(duì)滑塊進(jìn)

8、行研究，合力對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)，橡皮筋對(duì)小車做的功記為W.當(dāng)用2條、3條、完全相同的橡皮筋并在一起進(jìn)行第2次、第3次、實(shí)驗(yàn)時(shí)(每次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度都保持一致)，每次實(shí)驗(yàn)中小車獲得的速度根據(jù)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打在紙帶上的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算.(1)除了圖中已有的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的是交流

9、電源.(2)實(shí)驗(yàn)中，小車會(huì)受到摩擦阻力的作用，可以使木板適當(dāng)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(shí)，應(yīng)將紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器系在小車上，放開拖著紙帶的小車，小車以及紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(yùn)動(dòng)，當(dāng)小車速度最大時(shí)，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(zhǎng)狀態(tài)B.橡皮筋仍處于伸長(zhǎng)狀態(tài)C.小車在兩個(gè)鐵釘?shù)倪B線處D.

10、小車已過兩個(gè)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(yùn)動(dòng)，當(dāng)橡皮筋的拉力大小等于摩擦力大小時(shí)，小車的速度最大，此時(shí)橡皮筋仍處于伸長(zhǎng)狀態(tài)，B正確.(4)在操作正確的情況下，打在紙帶上的點(diǎn)并不都是均勻的，為了測(cè)量小車獲得的速度，應(yīng)選用圖7紙帶的_(填“AG”或“GJ”)部分進(jìn)行測(cè)量.圖7答案GJ解析解析解析從紙帶上看，紙帶的GJ段打點(diǎn)比較均勻，所以應(yīng)選用紙帶的GJ段進(jìn)行測(cè)量.例例3在做“探究功與物體速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，小車的質(zhì)量為m，使用橡皮筋6根，每次增加一根，實(shí)驗(yàn)中W、v、v2的數(shù)據(jù)已填在表格中.Wv(ms1)v2/(m2s2)00010.800.64

11、21.101.2131.281.6441.532.3451.763.1061.893.57(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(gè)坐標(biāo)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)論是_.答案Wv2解析解析解析從乙圖看出Wv2.當(dāng)堂達(dá)標(biāo)檢測(cè)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(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上記錄運(yùn)動(dòng)過程，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所接電源為6 V、50 Hz的交流電源.如圖9所示，紙帶

12、上O點(diǎn)為重物自由下落時(shí)紙帶打點(diǎn)的起點(diǎn)，選取的計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G依次間隔一個(gè)點(diǎn)(圖中未畫出)，各計(jì)數(shù)點(diǎn)與O點(diǎn)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(diǎn)的速度，并填入下表：解析計(jì)數(shù)點(diǎn)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(jì)數(shù)點(diǎn)BCDEFW/J 同理，WC1.23 J，WD1.92 J，WE2.76 J，WF3.76 J.(2)求出重物下落時(shí)從O點(diǎn)到

13、圖中各點(diǎn)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(dāng)選擇坐標(biāo)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(biāo)表示_，橫坐標(biāo)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(duì)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(zhǎng)木板滑行，請(qǐng)思考探究思路并回答下列問題(打點(diǎn)計(jì)時(shí)器交流電頻率為50 Hz).(1)為了消除摩擦力的影響應(yīng)采

14、取的措施是：_.解析圖11答案答案答案見解析解析解析將長(zhǎng)木板有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?，使小車勻速下?12(2)當(dāng)我們分別用同樣的橡皮筋1條、2條、3條并用來進(jìn)行第1次、第2次、第3次實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度都應(yīng)保持一致，我們把第1次實(shí)驗(yàn)時(shí)橡皮筋對(duì)小車做的功記為W.(3)由于橡皮筋對(duì)小車做功而使小車獲得的速度可以由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶測(cè)出，如圖12所示是其中四次實(shí)驗(yàn)打出的部分紙帶.圖1212次數(shù)1234橡皮筋對(duì)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(duì)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(duì)小車做的功與小車速度的平方成正比.12