【教育資料】2017-2018學(xué)年高中創(chuàng)新設(shè)計(jì)物理教科版必修2：第四章學(xué)案6能源的開發(fā)與利用學(xué)習(xí)專用

1、教育資源教育資源學(xué)案 6研究合外力做功和動(dòng)能變化的關(guān)系學(xué)習(xí)目標(biāo)定位 1.通過實(shí)驗(yàn)探究合外力對物體做的功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系.2.學(xué)習(xí)利用圖像法研究合外力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系一、實(shí)驗(yàn)原理由重物通過滑輪牽引小車，當(dāng)小車的質(zhì)量比重物大得多時(shí)，可以把重物所受的重力當(dāng)做小車受到的牽引力如圖1 所示圖 1 改變重物的質(zhì)量或者改變小車運(yùn)動(dòng)的距離，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)系二、實(shí)驗(yàn)器材長木板 (一端附有滑輪)、小車、小盤、砝碼若干、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、復(fù)寫紙、刻度尺、細(xì)線一、實(shí)驗(yàn)步驟1如圖 1所示， 把紙帶的一端固定在小車后面，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，改變木板的傾角，

2、讓小車重力的一個(gè)分力平衡小車及紙帶受到的摩擦力，使小車能做勻速運(yùn)動(dòng)2把細(xì)線系在小車上并繞過定滑輪，懸掛小盤， 在小盤里放入適量砝碼，使小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于砝碼和小盤的總質(zhì)量，小車在細(xì)線的拉力作用下做勻加速運(yùn)動(dòng)由于砝碼和小盤質(zhì)量很小，可認(rèn)為小車所受拉力f 的大小等于砝碼和小盤所受重力的大小3接通電源，放開小車，讓小車拖著紙帶運(yùn)動(dòng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器就在紙帶上打下一系列點(diǎn)4重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)， 選擇一條點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，由紙帶可以得到位移和時(shí)間的信息，由砝碼和小盤的質(zhì)量可以知道小車所受的恒力(小車質(zhì)量已知 ) 5由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論二、數(shù)據(jù)處理1小車速度及外力做功的確定通過實(shí)驗(yàn)獲得打點(diǎn)的紙帶，利用“勻變速直

3、線運(yùn)動(dòng)中，某段時(shí)間內(nèi)的平均速度等于該段時(shí)間中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度”這一結(jié)論計(jì)算紙帶上選定的點(diǎn)的速度，測出小車在某段時(shí)間內(nèi)的位移，然后乘以重物的重力，即得外力在該段時(shí)間內(nèi)對小車做的功2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理(1)計(jì)算各數(shù)據(jù)中v2、12mv2和相應(yīng)的合外力做功w 的數(shù)值并填入下表. 數(shù)據(jù)編號物理量123456 速度 v2/(m2 s2) 教育資源教育資源動(dòng)能12mv2/j 合外力做功w/j (2)比較各次實(shí)驗(yàn)中合外力做的功和物體動(dòng)能變化的數(shù)值，從而得到合外力對物體做的功和物體動(dòng)能變化之間的關(guān)系三、注意事項(xiàng)1平衡摩擦力時(shí)，不掛重物，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

4、的數(shù)值與符號g 的乘積表示即可例 1某實(shí)驗(yàn)小組采用如圖2 所示的裝置探究功與速度變化的關(guān)系，圖中小車中可放置砝碼，實(shí)驗(yàn)中，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作頻率為50 hz. 圖 2 (1)實(shí)驗(yàn)的部分步驟如下：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)線連接小車和鉤碼；將小車停在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器附近，_，_，小車拖動(dòng)紙帶，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn)，_；改變鉤碼或小車中砝碼的數(shù)量，更換紙帶，重復(fù)的操作(2)圖 3 是鉤碼質(zhì)量為0.03 kg、砝碼質(zhì)量為0.02 kg 時(shí)得到的一條紙帶，在紙帶上選擇起始點(diǎn) o 及 a、b、c、d、e 計(jì)數(shù)點(diǎn)，可獲得各計(jì)數(shù)點(diǎn)到o 的距離 x 及對應(yīng)時(shí)刻小車的瞬時(shí)速度

5、 v，請將 c 點(diǎn)的測量結(jié)果填在表中的相應(yīng)位置圖 3 紙帶的測量結(jié)果測量點(diǎn)x/cmv/(m s1) o 0.000.35 a 1.510.40 b 3.200.45 cd 7.150.53 e 9.410.60 (3)本實(shí)驗(yàn)，若用鉤碼的重力表示小車受到的合外力，為了減小這種做法帶來的實(shí)驗(yàn)誤差，應(yīng)采取的兩項(xiàng)措施是：_ ；_. 解析(1)將小車停在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器附近后，需先接通電源，再釋放小車，讓其拖動(dòng)紙帶，教育資源教育資源待打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn)后，關(guān)閉打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源(2)在驗(yàn)證 c 點(diǎn)時(shí)， 由題圖可知， c 點(diǎn)與刻度尺上的6.18 cm(6.16 cm 6.20 cm 均可 )對齊，所以

6、c 點(diǎn)距 o 點(diǎn)的距離是xoc5.18 cm(5.16 cm 5.20 cm 均可 )從紙帶上可知c 點(diǎn)的速度就是bd 段的平均速度，vc7.153.200.08 102 m/s0.49 m/s. (3)平衡摩擦力后，繩上的拉力就等于小車受到的合外力當(dāng)鉤碼的重力遠(yuǎn)小于小車及砝碼的重力和時(shí)，繩上的拉力就近似等于鉤碼的重力答案(1)先接通電源再釋放小車關(guān)閉打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源(2)5.18(5.16 5.20 均可 )0.49(3)平衡摩擦力鉤碼的重力遠(yuǎn)小于小車及砝碼的重力和例 2某實(shí)驗(yàn)小組利用拉力傳感器和速度傳感器探究“動(dòng)能定理”如圖 4 所示， 他們將拉力傳感器固定在小車上，用不可伸長的細(xì)線將其通過

7、一個(gè)定滑輪與鉤碼相連，用拉力傳感器記錄小車受到拉力的大小在水平桌面上相距50.0 cm 的 a、b 兩點(diǎn)各安裝一個(gè)速度傳感器，記錄小車通過a、b 時(shí)的速度大小小車中可以放置砝碼圖 4 (1)實(shí)驗(yàn)主要步驟如下：測量 _和拉力傳感器的總質(zhì)量m1；把細(xì)線的一端固定在拉力傳感器上，另一端通過定滑輪與鉤碼相連；正確連接所需電路將小車停在c 點(diǎn)，接通電源，_，小車在細(xì)線拉動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，記錄細(xì)線拉力及小車通過 a、b 時(shí)的速度在小車中增加砝碼，重復(fù)的操作(2)表 1 是他們測得的一組數(shù)據(jù)，其中m 是 m1與小車中砝碼質(zhì)量之和，|v22v21|是兩個(gè)速度傳感器所記錄速度的平方差，可以據(jù)此計(jì)算出動(dòng)能變化量 ek，f

8、 是拉力傳感器受到的拉力， w 是 f 在 a、b 間所做的功表格中的 ek3_，w3_.( 結(jié)果保留三位有效數(shù)字) 表 1數(shù)據(jù)記錄表次數(shù)m/kg|v22v21|/(m/s)2 ek/jf/nw/j 10.5000.760 0.1900.400 0.200 20.500 1.650 0.413 0.8400.4203 0.500 2.400 ek1.220w341.0002.4001.2002.4201.210 教育資源教育資源51.0002.8401.4202.8601.430 (3)根據(jù)表 1 在圖 5 中作出 ekw 圖線圖 5 答案(1)小車然后釋放小車(2)0.6000.610(3)

9、如圖所示1某同學(xué)用如圖6 甲所示的裝置驗(yàn)證動(dòng)能定理為了提高實(shí)驗(yàn)精度，該同學(xué)多次改變小滑塊下落高度h 的值，測出對應(yīng)的平拋運(yùn)動(dòng)水平位移x，并算出 x2如下表所示，進(jìn)而畫出 x2h 圖線如圖乙所示圖 6 滑塊下落高度 h 平拋水平位移 x/cm 平拋水平位移的平方x2/cm2h 5.530.25 2h 9.182.81 3h 11.7136.89 4h 14.2201.64 5h 15.9252.81 6h 17.6309.76 7h 19.0361.00 8h 20.6424.36 9h 21.7470.89 (1)原理分析：若滑塊在下滑過程中所受阻力很小，則只要滿足_，便可驗(yàn)證動(dòng)能定理(2)實(shí)

10、驗(yàn)結(jié)果分析：實(shí)驗(yàn)中獲得的圖線未過坐標(biāo)原點(diǎn)，而交在了大約(0.2h,0)處，原因是_ 答案(1)x2與 h 成正比(2)滑塊需要克服阻力做功解析(1)若滑塊在下滑過程中所受阻力很小，由動(dòng)能定理，mgh12mv20，根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律， xv0t，h12gt2，顯然 x2與 h 成正比，即只要滿足x2與 h 成正比，便可驗(yàn)證動(dòng)能定理 (2)實(shí)驗(yàn)中獲得的圖線未過坐標(biāo)原點(diǎn)，而交在了大約(0.2h,0)處，原因是滑塊需要克服阻力做功2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)的過程，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所接電源為6 v、 50 hz 的交流電源如圖7 所示，紙帶上o 點(diǎn)為重物自由下落時(shí)紙帶打點(diǎn)的

11、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 )，紙帶上的數(shù)據(jù)表示各計(jì)數(shù)點(diǎn)與o 點(diǎn)間的距離教育資源教育資源圖 7 (1)求出 b、c、d、e、f 各點(diǎn)對應(yīng)的速度并填入下表. 計(jì)數(shù)點(diǎn)b c d e f速度 /(m s1) (2)求出物體下落時(shí)從o 點(diǎn)到 b、c、d、e、f 各點(diǎn)過程中重力所做的功，并填入下表. 計(jì)數(shù)點(diǎn)b c d e f功/j (3)適當(dāng)選擇坐標(biāo)軸， 在圖 8 中作出重物重力做的功與重物速度的平方之間的關(guān)系圖像圖中縱坐標(biāo)表示_，橫坐標(biāo)表示_，由圖可得重力所做的功與_成_關(guān)系 (g 取 9.8 m/s2) 圖 8 答案見解析解析(1)由題意知vbac t

12、125.431.4 10340.02m/s1.18 m/s，同理 vc1.57 m/s，vd 1.96 m/s，ve2.35 m/s， vf2.74 m/s. (2)重力做的功wbmg ob19.8 70.6103 j0.69 j，同理 wc 1.23 j，wd1.92 j，we2.76 j，wf3.76 j. (3)wgv2圖像如圖所示 圖中縱坐標(biāo)表示重力做的功wg， 橫坐標(biāo)表示物體速度的平方v2；由圖可得重力所做的功與物體速度的平方成正比關(guān)系1在“探究合外力做功和動(dòng)能變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了如圖所示的wv 圖像，下列符合實(shí)際的是() 答案b 解析根據(jù)實(shí)驗(yàn)探究知道wv2，故

13、wv 圖像應(yīng)是開口向上的拋物線的一部分，故b對， a、 c、d 錯(cuò)2在“探究恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中(裝置如圖1)：圖 1 教育資源教育資源(1)下列說法中正確的是() a平衡摩擦力時(shí)必須將鉤碼通過細(xì)線掛在小車上b為減小系統(tǒng)誤差，應(yīng)使鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)大于小車質(zhì)量c實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)使小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器并由靜止釋放(2)圖 2 是實(shí)驗(yàn)中獲得的一條紙帶的一部分，選取o、a、b、c 計(jì)數(shù)點(diǎn)，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的交流電頻率為50 hz ，則打 b 點(diǎn)時(shí)小車的瞬時(shí)速度大小為_ m/s(保留三位有效數(shù)字 )圖 2 答案(1)c(2)0.653 解析平衡摩擦力的原理就是在沒有拉力的情況下調(diào)整斜面傾角，使小車重力沿

14、木板向下的分力平衡小車和紙帶所受阻力，不應(yīng)掛鉤碼，a 錯(cuò)；為減小系統(tǒng)誤差應(yīng)使鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，b 錯(cuò)；實(shí)驗(yàn)時(shí)使小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器能充分利用紙帶，由靜止釋放則測出的動(dòng)能即等于該過程的動(dòng)能變化量，便于利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行探究，故選c.(2)據(jù) vbxac2t0.653 m/s 可得打 b 點(diǎn)時(shí)小車的瞬時(shí)速度3某實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)采用如圖3 所示的裝置 (實(shí)驗(yàn)中，小車碰到制動(dòng)裝置時(shí)，鉤碼尚未到達(dá)地面 )用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器得到一條紙帶后，通過分析小車位移與速度變化的關(guān)系來研究合力對小車所做的功與速度變化的關(guān)系圖4 是實(shí)驗(yàn)中得到的一條紙帶，點(diǎn) o 為紙帶上的起始點(diǎn)， a、 b、 c 是紙帶上的三個(gè)連續(xù)的計(jì)數(shù)點(diǎn)，

15、相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間均有4 個(gè)點(diǎn)未畫出，用刻度尺測得a、 b、 c 到 o 的距離如圖4 所示已知所用交變電源的頻率為50 hz， 則：圖 3 圖 4 (1)打 b 點(diǎn)時(shí)，小車的瞬時(shí)速度vb_m/s.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) (2)實(shí)驗(yàn)中，該小組的同學(xué)畫出小車位移x 與速度 v 的關(guān)系圖像如圖5 所示根據(jù)該圖線形狀，某同學(xué)對w 與 v 的關(guān)系作出的猜想，肯定不正確的是 _(填寫選項(xiàng)字母代號 ) 圖 5 awv2bw vcw1vdwv3(3)本實(shí)驗(yàn)中，若鉤碼下落高度為h1時(shí)合力對小車所做的功為w0，則當(dāng)鉤碼下落h2時(shí)，合力對小車所做的功為_ (用 h1、h2、 w0表示 ) 答案(1)0.80(2)

16、bc(3)h2h1w0教育資源教育資源解析(1)vbac2t25.01 9.01 1022 0.1m/s 0.80 m/s. (2)由題圖知，位移與速度的關(guān)系圖像很像拋物線，所以可能xv2或 xv3，又因?yàn)閣fx，f 恒定不變，故wv2或 wv3，a、d 正確， b、c 錯(cuò)誤(3)設(shè)合力為f，由 w0fh1，得 fw0h1，所以當(dāng)鉤碼下落h2時(shí) wfh2h2h1w0. 4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6 甲所示的實(shí)驗(yàn) 將紙帶固定在重物上，讓紙帶穿過電火花計(jì)時(shí)器或電磁打點(diǎn)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，松開紙帶，讓重物自由下落，計(jì)時(shí)器就在紙帶上打

17、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)對數(shù)據(jù)進(jìn)行了如下處理：取oaab bc，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w v2?圖 6 答案見解析解析本題考查了實(shí)驗(yàn)探究的過程設(shè)由 o 到 a 的過程中， 重力對重物所做的功為w0，那么由 o 到 b 過程中，重力對重物所做的功為2w0，由 o 到 c 的過程中，重力對重物所做的功為3w0. 由計(jì)算可知， v2a1.44102 m2/s2， v2b2.89102 m2/s2， v2c4.41102 m2/s2，v2b

18、v2a2，v2cv2a 3，即 v2b2v2a，v2c3v2a，由以上數(shù)據(jù)可以判定wv2是正確的也可以根據(jù)wv2圖像來判定，如圖所示5為了探究對物體做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系，現(xiàn)提供如圖7 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，請思考并回答下列問題：(打點(diǎn)計(jì)時(shí)器交流電頻率為 50 hz) 圖 7 (1)為了消除摩擦力的影響應(yīng)采取的措施是：_ _. (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)中橡教育資源教育資源皮筋拉伸的長度都應(yīng)保持一致，我們把第1 次實(shí)驗(yàn)時(shí)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(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶測出，如圖 8 所示是其中四次實(shí)驗(yàn)打出的部分紙帶圖 8 (4)試根據(jù) (2)、 (3)中的信息，填寫下表.