浙江高考物理復(fù)習(xí)機(jī)械能實(shí)驗(yàn)5探究做功與物體速度變化的關(guān)系學(xué)案.docx

實(shí)驗(yàn)5探究做功與物體速度變化的關(guān)系考綱解讀(1)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)探究的過(guò)程和所用的方法。實(shí)驗(yàn)原理為了探究功與速度變化的關(guān)系，需要測(cè)量功和初、末兩個(gè)狀態(tài)的速度。在方案一中，功的大小等于小車(chē)所受的合力與小車(chē)位移的乘積，當(dāng)懸掛重物的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量及小車(chē)所受的阻力已被平衡時(shí)，功的大小約等于重物重力與小車(chē)位移的乘積。在方案二中，不需要測(cè)量功的具體數(shù)值，分別用1根、2根、3根相同的橡皮筋時(shí)，橡皮筋對(duì)小車(chē)做功的大小分別是W、2W、3W。這兩種方案中，小車(chē)獲得的速度都可利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量，然后通過(guò)圖象法找出功與速度變化的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)器材方案一：重物(小盤(pán)中放砝碼或砂桶中盛砂)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、小車(chē)、紙帶、復(fù)寫(xiě)紙、電源、導(dǎo)線、刻度尺、一端帶有滑輪的長(zhǎng)木板、帶小鉤的細(xì)線、坐標(biāo)紙、薄木板等。方案二：橡皮筋若干根(材質(zhì)、長(zhǎng)短、粗細(xì)均相同)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、小車(chē)、紙帶、復(fù)寫(xiě)紙、電源、導(dǎo)線、刻度尺、木板、鐵釘、坐標(biāo)紙等。實(shí)驗(yàn)步驟方案一：(1)用天平測(cè)出重物的質(zhì)量m(mM車(chē))，將數(shù)據(jù)記錄在表中。(2)將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在長(zhǎng)木板上沒(méi)有滑輪的一端，紙帶的一端夾在小車(chē)后端，另一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。將長(zhǎng)木板安裝有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一端適當(dāng)墊高，調(diào)整高度，直至輕推小車(chē)后，恰能使小車(chē)拖著紙帶在木板上做勻速運(yùn)動(dòng)為止。(3)在小車(chē)前系好細(xì)線并通過(guò)滑輪掛上重物。將小車(chē)置于靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處。接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源，釋放小車(chē)。(4)改變重物質(zhì)量，重做上述實(shí)驗(yàn)。(5)如圖1所示，將紙帶上的第一個(gè)點(diǎn)記為計(jì)數(shù)點(diǎn)O，再在紙帶的后端選擇連續(xù)的5個(gè)打印點(diǎn)分別記為計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、3、4、5。分別測(cè)出計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、3、4、5至計(jì)數(shù)點(diǎn)O的距離(即小車(chē)的位移l)，并利用打上點(diǎn)的紙帶，測(cè)出打各計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)小車(chē)的速度v，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表中。圖1(6)將計(jì)算得到的功W記錄在表格中。(7)根據(jù)記錄的W、v數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上作出合適的圖象。兩次實(shí)驗(yàn)可以在同一坐標(biāo)系中作出兩條圖線。(8)整理實(shí)驗(yàn)器材。方案二：(1)將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在長(zhǎng)木板的一端，紙帶的一端夾在小車(chē)后端，另一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。將長(zhǎng)木板安裝有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一端適當(dāng)墊高，調(diào)整高度，直至輕推小車(chē)后，恰能使小車(chē)拖著紙帶在長(zhǎng)木板上勻速運(yùn)動(dòng)為止。(2)將橡皮筋的一端固定在長(zhǎng)木板前端的鐵釘上，另一端固定在小車(chē)前端的鉤子上。將小車(chē)置于靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處，記下小車(chē)的位置。接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源，釋放小車(chē)。(3)用2根、3根、4根、5根相同的橡皮筋分別代替1根橡皮筋重做實(shí)驗(yàn)，保證每次釋放小車(chē)的位置相同，即橡皮筋被拉長(zhǎng)的長(zhǎng)度相同。(4)在上述實(shí)驗(yàn)中打出的5條紙帶上分別找出小車(chē)近似做勻速運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)，并分別求出勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度v，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表中。(5)根據(jù)記錄的W、v數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上作出合適的圖象。(6)整理實(shí)驗(yàn)器材。注意事項(xiàng)1.平衡摩擦力很關(guān)鍵，將木板一端墊高，使小車(chē)重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡。方法是輕推小車(chē)，由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打在紙帶上點(diǎn)的均勻程度判斷小車(chē)是否勻速運(yùn)動(dòng)，找到木板一個(gè)合適的傾角。2.測(cè)小車(chē)速度時(shí)，紙帶上的點(diǎn)應(yīng)選點(diǎn)跡均勻的部分，也就是選小車(chē)做勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的部分。3.方案二中橡皮筋的功不需測(cè)量，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。方案一中需要利用繩拉力近似等于所掛鉤碼重力，然后乘以小車(chē)經(jīng)過(guò)位移計(jì)算。4.小車(chē)質(zhì)量應(yīng)大一些，使紙帶上打的點(diǎn)多一些。5.方案一中要保證所掛鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車(chē)的質(zhì)量。熱點(diǎn)一教材原型實(shí)驗(yàn)【例1】某同學(xué)把附有滑輪的長(zhǎng)木板平放在實(shí)驗(yàn)桌上，將細(xì)繩一端拴在小車(chē)上，另一端繞過(guò)定滑輪，掛上適當(dāng)?shù)你^碼，使小車(chē)在鉤碼的牽引下運(yùn)動(dòng)，以此定量“探究繩拉力做功與小車(chē)動(dòng)能變化的關(guān)系”。此外還準(zhǔn)備了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器及配套的電源、導(dǎo)線、復(fù)寫(xiě)紙、紙帶、小木塊等。組裝的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。圖2(1)若要完成該實(shí)驗(yàn)，必需的實(shí)驗(yàn)器材還有_。(2)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，他先調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度，使?fàn)恳≤?chē)的細(xì)繩與木板平行。他這樣做的目的是下列的哪個(gè)_(填字母代號(hào))。A.避免小車(chē)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生抖動(dòng)B.可使打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出的點(diǎn)跡清晰C.可以保證小車(chē)最終能夠?qū)崿F(xiàn)勻速直線運(yùn)動(dòng)D.可在平衡摩擦力后使細(xì)繩拉力等于小車(chē)受的合力(3)平衡摩擦力后，當(dāng)他用多個(gè)鉤碼牽引小車(chē)時(shí)，發(fā)現(xiàn)小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)快，致使打出的紙帶上點(diǎn)數(shù)較少，難以選到合適的點(diǎn)計(jì)算小車(chē)速度。在保證所掛鉤碼數(shù)目不變的條件下，請(qǐng)你利用本實(shí)驗(yàn)的器材提出一個(gè)解決方法：_。(4)他將鉤碼重力做的功當(dāng)作細(xì)繩拉力做的功，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)拉力做功總是要比小車(chē)動(dòng)能增量大一些。這一情況可能是下列哪些原因造成的_(填字母代號(hào))。A.在接通電源的同時(shí)釋放了小車(chē)B.小車(chē)釋放時(shí)離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器太近C.阻力未完全被小車(chē)重力沿木板方向的分力平衡掉D.鉤碼做勻加速運(yùn)動(dòng)，鉤碼重力大于細(xì)繩拉力解析(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可知，需要驗(yàn)證mgxMv2，同時(shí)根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律可知，此實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量鉤碼質(zhì)量、小車(chē)質(zhì)量和位移，故還需要的器材有：刻度尺和天平；(2)分析小車(chē)受力可知，在平衡摩擦力的基礎(chǔ)上，使細(xì)繩與木板平行是為了讓細(xì)繩的拉力充當(dāng)小車(chē)所受合外力，故選項(xiàng)D正確；(3)紙帶上打出的點(diǎn)較少，說(shuō)明小車(chē)的加速度過(guò)大(即小車(chē)過(guò)快)，故可知減小鉤碼質(zhì)量或增加小車(chē)質(zhì)量(在小車(chē)上加上適量的砝碼)；(4)在此實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)牛頓第二定律可知，鉤碼的重力大于細(xì)繩的拉力，而實(shí)驗(yàn)中用重力代替拉力會(huì)導(dǎo)致拉力做功大于小車(chē)動(dòng)能增量；如果實(shí)驗(yàn)未平衡或未完全平衡摩擦力也會(huì)導(dǎo)致拉力做功大于動(dòng)能增量，故選項(xiàng)C、D正確。答案(1)刻度尺、天平(包括砝碼)(2)D(3)可在小車(chē)上加適量的砝碼(或鉤碼)(4)CD熱點(diǎn)二實(shí)驗(yàn)拓展創(chuàng)新1.裝置時(shí)代化2.求解智能化(1)摩擦阻力問(wèn)題：靠小車(chē)重力的下滑分力平衡摩擦力自由下落阻力減少氣墊導(dǎo)軌減少摩擦力。(2)速度的測(cè)量方法：勻速運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量紙帶上各點(diǎn)速度光電門(mén)v速度傳感器直接顯示速度大小?！纠?】某校物理興趣小組利用如圖3所示裝置“探究合力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系”。在滑塊上安裝一遮光條，系輕細(xì)繩處安裝一拉力傳感器(可顯示出輕細(xì)繩的拉力)，把滑塊放在水平氣墊導(dǎo)軌上A處，細(xì)繩通過(guò)定滑輪與鉤碼相連，光電門(mén)安裝在B處。氣墊導(dǎo)軌充氣，將滑塊從A位置由靜止釋放后，拉力傳感器記錄的讀數(shù)為F，光電門(mén)記錄的時(shí)間為t。圖3(1)用螺旋測(cè)微器測(cè)量遮光條的寬度2.588 mm。(2)多次改變鉤碼的質(zhì)量(拉力傳感器記錄的讀數(shù)F相應(yīng)改變)，測(cè)得多組F和t數(shù)據(jù)，要得到線性變化圖象，若已知選定F作為縱坐標(biāo)，則橫坐標(biāo)代表的物理量為_(kāi)。A.t B.(t)2C. D.()2(3)若正確選擇橫坐標(biāo)所代表的物理量后，得出線性變化圖象的斜率為k，且已經(jīng)測(cè)出A、B之間的距離為s，遮光條的寬度為d，則滑塊質(zhì)量(含遮光條和拉力傳感器)的表達(dá)式為M_。解析(2)根據(jù)動(dòng)能定理得FsMv2，v，聯(lián)立解得F()2，選定F作為縱坐標(biāo)，則橫坐標(biāo)代表的物理量為()2，選項(xiàng)D正確。(3)得出線性變化圖象的斜率為k，由k解得M。答案(2)D(3)1.在用如圖4所示的裝置做“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_。圖4A.為了平衡摩擦力，實(shí)驗(yàn)中可以將長(zhǎng)木板的左端適當(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.為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，每次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋的規(guī)格要相同，拉伸的長(zhǎng)度要一樣C.可以通過(guò)改變橡皮筋的條數(shù)來(lái)改變拉力做功的數(shù)值D.可以通過(guò)改變小車(chē)的質(zhì)量來(lái)改變拉力做功的數(shù)值E.實(shí)驗(yàn)中要先釋放小車(chē)再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源F.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)程中獲得的最大速度G.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左端墊高利用小車(chē)的重力沿斜面向下的分力與摩擦力平衡來(lái)滿足橡皮筋做功是合力功。實(shí)驗(yàn)中要求橡皮筋規(guī)格相同，拉伸長(zhǎng)度相同即每個(gè)橡皮筋做功相等，所以只要通過(guò)改變橡皮筋條數(shù)就可以改變做功的數(shù)值，利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)應(yīng)該先接通電源再釋放紙帶。當(dāng)橡皮筋松弛時(shí)，即加速結(jié)束時(shí)，小車(chē)做勻速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)速度即為小車(chē)獲得的最大速度。答案ABCF2.“探究功與速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5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。圖5(1)關(guān)于該實(shí)驗(yàn)，下列說(shuō)法正確的是_。A.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器可以用干電池供電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.利用每次測(cè)出的小車(chē)最大速度vm和橡皮筋做的功W，依次作出Wvm、Wv、Wv，W2vm、W3vm的圖象，得出合力做功與物體速度變化的關(guān)系。(2)如圖6所示，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)圖6解析(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器必須用交流電，A項(xiàng)錯(cuò)誤；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；根據(jù)所得數(shù)據(jù)分別作出橡皮筋所做的功W與小車(chē)獲得的最大速度或小車(chē)獲得的最大速度的平方、立方等圖象，找出合力做的功與物體速度變化的關(guān)系，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)CD(2)0.813.為了“探究動(dòng)能改變與合外力做功的關(guān)系”，某同學(xué)設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)方案：第一步：把帶有定滑輪的木板有滑輪的一端墊起，把質(zhì)量為M的滑塊通過(guò)細(xì)繩與質(zhì)量為m的帶夾子的重錘跨過(guò)定滑輪相連，重錘下連一穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶，調(diào)整木板傾角，直到輕推滑塊后，滑塊沿木板向下勻速運(yùn)動(dòng)，如圖7甲所示。第二步：保持長(zhǎng)木板的傾角不變，將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝在長(zhǎng)木板靠近滑輪處，取下細(xì)繩和重錘，將滑塊與紙帶相連，使紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，然后接通電源，釋放滑塊，使之從靜止開(kāi)始向下加速運(yùn)動(dòng)，打出紙帶，如圖乙所示。打出的紙帶如圖丙所示。圖7請(qǐng)回答下列問(wèn)題：(1)已知O、A、B、C、D、E、F相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為t，根據(jù)紙帶求滑塊運(yùn)動(dòng)的速度，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打B點(diǎn)時(shí)滑塊運(yùn)動(dòng)的速度vB_。(2)已知重錘質(zhì)量為m，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間，要測(cè)出某一過(guò)程合外力對(duì)滑塊做的功還必須測(cè)出這一過(guò)程滑塊_(寫(xiě)出物理量名稱及符號(hào)，只寫(xiě)一個(gè)物理量)，合外力對(duì)滑塊做功的表達(dá)式W合_。(3)算出滑塊運(yùn)動(dòng)OA、OB、OC、OD、OE段合外力對(duì)滑塊所做的功W以及在A、B、C、D、E各點(diǎn)的速度v，以v2為縱軸、W為橫軸建立直角坐標(biāo)系，描點(diǎn)作出v2W圖象，可知該圖象是一條_，根據(jù)圖象還可求得_。解析(1)由打出的紙帶可知B點(diǎn)的速度為vB。(2)由做功定義式可知還需要知道滑塊下滑的位移x，由動(dòng)能定理可知W合Ek，即mgxEk。(3)v2W圖象應(yīng)該為一條過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線，根據(jù)EkMv2 可求得M的值。答案(1)(2)下滑的位移xmgx(3)過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線滑塊的質(zhì)量M4.如圖8所示是某研究性學(xué)習(xí)小組的同學(xué)做探究“橡皮筋做功和物體速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)，圖中是小車(chē)在一條橡皮筋作用下彈出，沿木板滑行的情形。這時(shí)，橡皮筋對(duì)小車(chē)做功記為W。當(dāng)用2條、3條、n條完全相同的橡皮筋并在一起進(jìn)行第2次、第3次、第n次實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次橡皮筋都被拉伸到同一位置釋放。小車(chē)每次實(shí)驗(yàn)中獲得的速度可以由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打的紙帶測(cè)出，圖9甲為某次實(shí)驗(yàn)中打出的紙帶。圖8(1)除了圖中已給出的實(shí)驗(yàn)器材和電源外，還需要的器材有_。(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)為了使小車(chē)只在橡皮筋作用下運(yùn)動(dòng)，應(yīng)采取的措施是_。(3)每次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶上的點(diǎn)分布并不都是均勻的，為了測(cè)量小車(chē)最終獲得的末速度，應(yīng)選用紙帶的_部分進(jìn)行測(cè)量。(4)下面是本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理表。從理論上講，橡皮筋做的功Wn與物體獲得的速度vn之間的關(guān)系是Wn_，請(qǐng)你運(yùn)用表中的數(shù)據(jù)在如圖乙所示的坐標(biāo)系中作出相應(yīng)的圖象，以驗(yàn)證理論的正確性。圖9解析(1)要計(jì)算某點(diǎn)速度的大小，必須要測(cè)量紙帶上計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離，除