2017_2018年高中物理第七章機(jī)械能守恒定律第6節(jié)實(shí)驗(yàn)：探究功與速度變化的關(guān)系教學(xué)案新人教版.docx

第6節(jié) 實(shí)驗(yàn)：探究功與速度變化的關(guān)系一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)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體會(huì)探究過(guò)程和所用的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理讓橡皮筋拉動(dòng)小車(chē)做功使小車(chē)的速度增加，使拉小車(chē)的橡皮筋的條數(shù)由1條變?yōu)?條、3條、則橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功為W、2W、3W、通過(guò)對(duì)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打紙帶的測(cè)量，計(jì)算出每次實(shí)驗(yàn)后小車(chē)的速度，最后分析每次做的功與獲得的速度的關(guān)系，總結(jié)出功與獲得的速度的關(guān)系。三、實(shí)驗(yàn)器材木板、橡皮筋(若干)、小車(chē)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、低壓交流電源、紙帶、刻度尺等。四、實(shí)驗(yàn)步驟1按如圖所示安裝好實(shí)驗(yàn)儀器。2平衡摩擦力：將安裝有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的長(zhǎng)木板的一端墊起，紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，接到小車(chē)上，不掛橡皮筋，閉合電源，輕推小車(chē)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出間隔均勻的點(diǎn)。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(chē)獲得的速度v1，設(shè)此時(shí)橡皮筋彈力對(duì)小車(chē)做功為W，并將得到的數(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)，并將橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度都和第一次相同，即讓小車(chē)從同一位置由靜止釋放，測(cè)出v2、v3、v4、橡皮筋對(duì)小車(chē)做功分別為2W、3W、4W、將數(shù)據(jù)記入表格。5分析數(shù)據(jù)，嘗試作Wv，Wv2等圖象，探究W、v的關(guān)系。五、數(shù)據(jù)處理1速度數(shù)值的獲得：實(shí)驗(yàn)獲得的是如圖所示的紙帶為探究橡皮筋彈力做功與小車(chē)速度的關(guān)系，需要測(cè)量的是彈力做功結(jié)束時(shí)小車(chē)的速度，即小車(chē)做勻速運(yùn)動(dòng)的速度。所以，應(yīng)該在紙帶上測(cè)量的物理量是圖中 A1與A3 間的距離 x，小車(chē)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。即選擇相鄰距離基本相同的若干點(diǎn)來(lái)計(jì)算小車(chē)勻速時(shí)的速度。2計(jì)算W、2W、3W、時(shí)對(duì)應(yīng)的v、v2、v3、數(shù)值，填入下面表格。WvnW2W3W4W5Wvv2v33逐一與W的一組數(shù)值對(duì)照，判斷W與v的可能關(guān)系，或分別試探畫(huà)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(xiàn)，從而確定功與速度的正確關(guān)系。六、注意事項(xiàng)1平衡摩擦力的方法：將木板一端墊高，輕推小車(chē)，由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打在紙帶上的點(diǎn)的均勻程度判斷小車(chē)是否做勻速運(yùn)動(dòng)，找到木板的一個(gè)合適的傾角。2測(cè)小車(chē)速度時(shí)，紙帶上的點(diǎn)應(yīng)選均勻部分的，也就是選小車(chē)做勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的。3橡皮筋應(yīng)選規(guī)格一樣的，力對(duì)小車(chē)做的功以一條橡皮筋做的功為單位即可，不必計(jì)算出具體數(shù)值。4每次釋放小車(chē)時(shí)，都要讓它從同一位置由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。5小車(chē)質(zhì)量應(yīng)大一些，使紙帶上打的點(diǎn)多一些。七、誤差分析產(chǎn)生原因減小方法偶然誤差橡皮筋長(zhǎng)短、粗細(xì)不一紙帶上“點(diǎn)”間距離測(cè)量不準(zhǔn)描點(diǎn)不準(zhǔn)確選用規(guī)格相同的橡皮筋測(cè)量、描點(diǎn)盡量準(zhǔn)確系統(tǒng)誤差忘記平衡摩擦力或沒(méi)有完全平衡摩擦力實(shí)驗(yàn)前精確地平衡摩擦力典型例題例1.探究力對(duì)原來(lái)靜止的物體做的功與物體獲得的速度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，實(shí)驗(yàn)主要過(guò)程如下：(1)設(shè)法讓橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功分別為W、2W、3W、(2)分析打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶，求出小車(chē)的速度v1、v2、v3、(3)作出Wv草圖。(4)分析Wv圖象。如果Wv圖象是一條直線(xiàn)，表明Wv；如果不是直線(xiàn)，可考慮是否存在Wv2、Wv3、W等關(guān)系。以下關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的說(shuō)法中不正確的是()A本實(shí)驗(yàn)設(shè)法讓橡皮筋對(duì)小車(chē)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(shí)驗(yàn)中使橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度保持一致。當(dāng)用1條橡皮筋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功為W，用2條、3條橡皮筋并在一起進(jìn)行第2次、第3次實(shí)驗(yàn)時(shí)，橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功分別是2W、3W、B小車(chē)運(yùn)動(dòng)中會(huì)受到阻力，補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ鞘鼓景暹m當(dāng)傾斜C某同學(xué)在一次實(shí)驗(yàn)中，得到一條記錄紙帶。紙帶上打出的點(diǎn)，兩端密、中間疏。出現(xiàn)這種情況的原因，可能是沒(méi)有使木板傾斜或傾角太小D根據(jù)記錄紙帶上打出的點(diǎn)，求小車(chē)獲得的速度的方法，是以紙帶上第一點(diǎn)到最后一點(diǎn)的距離來(lái)進(jìn)行計(jì)算解析由實(shí)驗(yàn)原理可知改變橡皮筋做功多少的辦法是靠改變橡皮筋條數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，A正確；為使橡皮筋的拉力等于小車(chē)所受的合力，通過(guò)使木板傾斜的方法平衡摩擦阻力，B正確；若沒(méi)有平衡或平衡摩擦力不足，就會(huì)出現(xiàn)橡皮筋拉力為零后，小車(chē)減速運(yùn)動(dòng)，打出的點(diǎn)逐漸變密，C正確；計(jì)算速度，應(yīng)以最后一段點(diǎn)間距(即小車(chē)達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)的區(qū)域)進(jìn)行計(jì)算，D錯(cuò)誤。答案D典型例題例2.如圖所示為某學(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，圖中小車(chē)是在一條橡皮筋的作用下彈出，沿木板滑行，這時(shí)，橡皮筋對(duì)小車(chē)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)，使每次實(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(chē)獲得的速度由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打的紙帶測(cè)出。(1)在正確操作情況下，打在紙帶上的點(diǎn)，并不都是均勻的，如圖所示，為了測(cè)量小車(chē)獲得的速度，應(yīng)選用紙帶的_部分進(jìn)行測(cè)量。(2)下面是本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄表。次數(shù)橡皮筋做的功10個(gè)間隔距離x(m)10個(gè)間隔時(shí)間T(s)小車(chē)獲得的速度vn(m/s)小車(chē)獲得速度的平方v (m 2/s 2)1W0.288 00.21.442.0722W0.417 60.22.094.3633W0.489 60.22.455.9944W0.590 40.22.958.7155W0.648 00.23.2410.50請(qǐng)運(yùn)用表中測(cè)定的數(shù)據(jù)在如圖所示的坐標(biāo)系中作出相應(yīng)的圖象，得出的結(jié)論是_。解析(1)應(yīng)取小車(chē)達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)的區(qū)域來(lái)計(jì)算，G、J之間某一段或G、J全部。(2)作出Wv圖象，如圖所示。在誤差允許的范圍內(nèi)，圖線(xiàn)是過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，說(shuō)明W與v成正比。答案(1)G、J(只要取勻速部分均正確)(2)見(jiàn)解析典型例題例3.某同學(xué)在“探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)。將紙帶固定在重物上，讓紙帶穿過(guò)電火花計(jì)時(shí)器。先用手提著紙帶，使重物靜止在靠近計(jì)時(shí)器的地方。然后接通電源，松開(kāi)紙帶，讓重物自由下落，計(jì)時(shí)器就在紙帶上打下一系列小點(diǎn)，得到的紙帶如圖乙所示，O點(diǎn)為計(jì)時(shí)器打下的第1個(gè)點(diǎn)。該同學(xué)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了下列處理：取OAABBC，并根據(jù)紙帶算出了A、B、C三點(diǎn)的速度分別為vA0.12 m/s，vB0.17 m/s，vC0.21 m/s。根據(jù)以上數(shù)據(jù)你能否大致判定Wv2?解析設(shè)由O到A的過(guò)程中，重力對(duì)重物所做的功為WOA，那么由O到B過(guò)程中，重力對(duì)重物所做的功為2WOA，由O到C的過(guò)程中，重力對(duì)重物所做的功為3WOA。由計(jì)算可知，v1.44102 m2/s2，v2.89102 m2/s2，v4.41102 m2/s2，2，3，即v2v，v3v，由以上數(shù)據(jù)可以判定Wv2是正確的，也可以根據(jù)Wv2的曲線(xiàn)來(lái)判斷(如圖所示)。答案見(jiàn)解析1關(guān)于“探究功與速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)，下列敘述正確的是()A每次實(shí)驗(yàn)必須設(shè)法算出橡皮筋對(duì)小車(chē)做功的具體數(shù)值B每次實(shí)驗(yàn)中，橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度沒(méi)有必要保持一致C放小車(chē)的長(zhǎng)木板應(yīng)該盡量使其水平D先接通電源，再讓小車(chē)在橡皮筋的作用下彈出解析：選D本實(shí)驗(yàn)無(wú)需測(cè)出橡皮筋具體做功的數(shù)值，只要測(cè)出以后各次實(shí)驗(yàn)時(shí)橡皮筋做的功是第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)的多少倍即可，A錯(cuò)誤；每次實(shí)驗(yàn)橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度必須保持一致，只有這樣才能保證每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，橡皮筋做的功是第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)的整數(shù)倍，B錯(cuò)誤；小車(chē)運(yùn)動(dòng)中會(huì)受到阻力，只有使木板傾斜到一定程度，才能減小誤差，C錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器開(kāi)始工作，然后再讓小車(chē)在橡皮筋的作用下彈出，D正確。2在“探究功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，橡皮筋釋放后，關(guān)于小車(chē)的運(yùn)動(dòng)，下列說(shuō)法正確的是()A一直做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)B先做勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，再做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)C先做加速度減小的變加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，再做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)D先做加速度增大的變加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，再做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)解析：選C橡皮筋對(duì)小車(chē)的拉力是變力且逐漸變小，所以小車(chē)先做加速度減小的變加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，橡皮筋對(duì)小車(chē)做功完畢后，小車(chē)將做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，C正確。3多選在用如圖所示裝置做“探究功與速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，下列說(shuō)法正確的是()A通過(guò)改變橡皮筋的條數(shù)改變拉力做功的數(shù)值B通過(guò)改變橡皮筋的長(zhǎng)度改變拉力做功的數(shù)值C通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的紙帶來(lái)測(cè)定小車(chē)加速過(guò)程中獲得的最大速度D通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的紙帶來(lái)測(cè)定小車(chē)加速過(guò)程中獲得的平均速度解析：選AC實(shí)驗(yàn)通過(guò)增加橡皮筋的條數(shù)，使橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功按整數(shù)倍增加，A正確，B錯(cuò)誤；小車(chē)的速度對(duì)應(yīng)的是橡皮筋對(duì)小車(chē)做功完畢時(shí)的最大速度，C正確，D錯(cuò)誤。4(2016晉江高一檢測(cè))在探究功W與物體速度v的變化關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，正確的圖象應(yīng)為()解析：選C實(shí)驗(yàn)證明，合力做的功W與物體速度的二次方成正比，即所得Wv2圖象為過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線(xiàn)，故C正確。5在“探究做功與速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，常用的兩種實(shí)驗(yàn)方案如圖所示：甲方案通過(guò)重物提供牽引力，小車(chē)在牽引力作用下運(yùn)動(dòng)，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量小車(chē)的速度，定量計(jì)算牽引力所做的功，進(jìn)而探究牽引力所做功與小車(chē)速度的關(guān)系；乙方案通過(guò)不同條數(shù)橡皮筋將小車(chē)彈出，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量小車(chē)的速度，進(jìn)而探究橡皮筋對(duì)小車(chē)所做功與其速度的關(guān)系。(1)多選針對(duì)這兩種實(shí)驗(yàn)方案，以下說(shuō)法正確的是()A甲方案可以只打一條紙帶研究，而乙方案必須打足夠多條紙帶才能研究B甲方案中需要平衡小車(chē)運(yùn)動(dòng)中受到的阻力，而乙方案中不需要平衡阻力C甲方案中小車(chē)質(zhì)量必須遠(yuǎn)大于所掛重物的質(zhì)量，而乙方案中對(duì)小車(chē)質(zhì)量沒(méi)有特別的要求D乙方案中換用2根同樣的橡皮筋在同一位置釋放，橡皮筋所做的功與一根橡皮筋拉至伸長(zhǎng)量為原來(lái)2倍時(shí)所做的功是一樣的(2)某同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中打出的一條紙帶如圖所示，0、1、2、7為紙帶上連續(xù)打出的點(diǎn)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源頻率為50 Hz。根據(jù)這條紙帶，可以判斷他在實(shí)驗(yàn)中采用的是_(填“甲”或“乙”)方案，實(shí)驗(yàn)中小車(chē)失去外力后的速度為_(kāi)m/s。解析：(1)甲方案中根據(jù)打下的一條紙帶，運(yùn)用勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的推論可求得速度，并能根據(jù)紙帶測(cè)量出重物下落的距離，即可進(jìn)行探究；在乙方案中，要改變拉力做功時(shí)，用不同條數(shù)的橡皮筋且拉到相同的長(zhǎng)度，這樣橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功才有倍數(shù)關(guān)系，所以必須打足夠多條紙帶才能研究，故A正確；在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，小車(chē)下滑時(shí)受到重力、細(xì)線(xiàn)或橡皮筋的拉力、支持力和摩擦力，要使拉力等于合力，則都要平衡摩擦力，使得拉力做的功等于合外力對(duì)小車(chē)做的功，故B錯(cuò)誤；在甲方案中，要用重物的重力替代細(xì)線(xiàn)的拉力，必須滿(mǎn)足小車(chē)質(zhì)量遠(yuǎn)大于所掛重物的質(zhì)量的條件；而在乙方案中，對(duì)小車(chē)質(zhì)量沒(méi)有特別的要求，故C正確；橡皮筋伸長(zhǎng)量越大，拉力越大，在乙方案中，若橡皮筋伸長(zhǎng)量變?yōu)樵瓉?lái)的2倍，則橡皮筋做的功大于原來(lái)的2倍，比換用2根同樣的橡皮筋在同一位置釋放做的功多，故D錯(cuò)誤。(2)在甲方案中，小車(chē)做勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)推論：xaT2，在連續(xù)相等時(shí)間內(nèi)位移應(yīng)均勻增大；在乙方案中，小車(chē)先做變加速運(yùn)動(dòng)，在失去外力后做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。由紙帶上的數(shù)據(jù)看出，此小車(chē)最后做勻速運(yùn)動(dòng)，故他在實(shí)驗(yàn)中采用的是乙方案。由數(shù)據(jù)看出，打出點(diǎn)“4”后小車(chē)失去外力，則速度為：v102 m/s1.75 m/s。答案：(1)AC(2)乙1.756(2016黃岡高一檢測(cè))“探究功與速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，當(dāng)小車(chē)在一條橡皮筋作用下彈出時(shí)，橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功記為W；當(dāng)用2條、3條、4條、完全相同的橡皮筋并在一起進(jìn)行第2次、第3次、第4次、實(shí)驗(yàn)時(shí)，橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功記為2W、3W、4W、每次實(shí)驗(yàn)中小車(chē)獲得的最大速度可由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打出的紙帶測(cè)出。(1)多選關(guān)于該實(shí)驗(yàn)，下列說(shuō)法正確的是()A為了平衡摩擦力，實(shí)驗(yàn)中可以將長(zhǎng)木板的一端適當(dāng)墊高，使小車(chē)?yán)┻^(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶自由下滑時(shí)能保持勻速運(yùn)動(dòng)B實(shí)驗(yàn)儀器安裝時(shí)，可以不平衡摩擦力C每次實(shí)驗(yàn)小車(chē)必須從同一位置由靜止彈出D實(shí)驗(yàn)中要先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源再釋放小車(chē)(2)如圖給出了某次實(shí)驗(yàn)打出的紙帶，從中截取了測(cè)量小車(chē)最大速度所用的一段紙帶，測(cè)得A、B、C、D、E相鄰兩點(diǎn)間的距離分別為AB1.48 cm，BC1.60 cm，CD1.62 cm，DE1.62 cm；已知相鄰兩點(diǎn)打點(diǎn)時(shí)間間隔為0.02 s，則小車(chē)獲得的最大速度vm_m/s。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)解析：(1)當(dāng)小車(chē)?yán)┻^(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿被墊高的長(zhǎng)木板方向的重力的分力大小等于摩擦力，即在實(shí)驗(yàn)中可消除摩擦力的影響，A項(xiàng)正確；實(shí)驗(yàn)儀器安裝時(shí)，必須平衡摩擦力，B項(xiàng)錯(cuò)誤；每次實(shí)驗(yàn)小車(chē)必須從同一位置由靜止彈出，C項(xiàng)正確；使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器必須先接通電源再釋放小車(chē)，D項(xiàng)正確。(2)小車(chē)獲得的最大速度v m/s0.81 m/s。答案：(1)ACD(2)0.817為了探究物體做功與物體速度變化的關(guān)系，現(xiàn)提供如圖所示的器材，讓小車(chē)在橡皮筋的作用下彈出后，沿木板滑行。請(qǐng)思考探究思路并回答下列問(wèn)題(打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)頻率為50 Hz)。(1)為了消除摩擦力的影響應(yīng)采取什么措施？_(2)分別用1條、2條、3條、相同的橡皮筋并起來(lái)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，把第1次實(shí)驗(yàn)時(shí)橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功記為W，_。(3)由于橡皮筋對(duì)小車(chē)做功而使小車(chē)獲得的速度可以由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶測(cè)出，如圖所示的是其中四次實(shí)驗(yàn)打出的部分紙帶。(4)試根據(jù)第(2)、(3)項(xiàng)中的信息，填寫(xiě)表格：次數(shù)1234橡皮筋對(duì)小車(chē)做功W小車(chē)速度v(m/s)v2(m2/s2)從表格中數(shù)據(jù)可得出