實驗五探究恒力做功與動能改變的關(guān)系.ppt

1、實驗五 探究恒力做功與動能改變的關(guān)系 要點歸納 【實驗?zāi)康摹?探究恒力做功與動能改變的關(guān)系.,【實驗原理】 采用如圖1所示裝置,讓小車在橡皮筋作用下彈出,使小車獲得速度后沿木板勻速滑行.當用一條橡皮筋彈出時對小車做的功記為W,則用兩條、三條完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次實驗,每次橡皮筋都拉伸到同一位置釋放時,實驗中橡皮筋對小車做的功就是第1次的2倍(2W)、3倍(3W) .橡皮筋每次,實驗做的功使小車獲得的速度根據(jù)打點計時器打出的紙帶得到.當?shù)贸鋈舾山M功和速度的數(shù)據(jù)后,以橡皮筋對小車做的功為縱坐標,分別以小車獲得的速度v、v2、 為橫坐標,以第1次實驗時的功W為單位,用描點法分別作

2、出Wv、Wv2、W曲線,分析曲線,得出橡皮筋對小車做的功與小車獲得速度的定量關(guān)系.,圖1,【實驗步驟】 1.安裝實驗裝置:如圖1所示. 2.平衡摩擦力:在長木板的有打點計時器的一端下 面墊一塊木板,反復(fù)移動木板的位置,直至小車 上不掛橡皮筋時,紙帶打出的點間距均勻,即小 車能勻速運動為止.,【實驗器材】 木板、小車、橡皮筋、打點計時器及交流電源、 紙帶、刻度尺等.,3.把小車的另一端與一條橡皮筋的中點連接,向后 拖動紙帶,并記下此時小車的位置.然后接通電 源,放開小車,將得到的紙帶標號為1. 4.換上新紙帶,橡皮筋分別采用兩條、三條、四條 ,重復(fù)步驟3,將紙帶標號2、3、4 【處理數(shù)據(jù)】 1.

3、以橡皮筋對小車做的功為縱坐標(以第1次實驗 時的功W為單位),小車獲得的速度為橫坐標,作 出Wv曲線.如果Wv曲線是一條直線,表明 Wv;如果不是直線,可考慮是否存在下列關(guān)系: Wv2、Wv3、W ,2.根據(jù)各種草圖,大致判斷兩個量可能是什么關(guān) 系.如果認為很可能是Wv2,就作出Wv2曲線, 如果這條曲線是一條直線,就可以證明你的判斷 是正確的. 【誤差分析】 1.每個橡皮筋的勁度系數(shù)不同和每次拉伸的長度 不完全一致,造成橡皮筋對小車做的功不是整數(shù) 倍關(guān)系引起誤差. 2.不完全平衡摩擦力或平衡摩擦力過大,造成實驗 中除橡皮筋的拉力做功外,還有其他力做功,并 由此造成最末階段紙帶上點的間隔不均勻

4、而引 起測量速度的誤差.,【注意事項】 1.每次實驗中小車要拖動到同一位置. 2.長木板要傾斜,使小車能在長木板上勻速運動. 3.實驗中不用測小車的質(zhì)量. 4.實驗中測定的速度應(yīng)是橡皮筋恢復(fù)形變以后小 車的速度,所以應(yīng)選用那些間距較大,且相對均 勻的點來測量和計算.,典例剖析 某探究學(xué)習(xí)小組的同學(xué)欲驗證“動能定理”, 他們在實驗室組裝了一套如圖2所示的裝置,另外他 們還找到了打點計時器所用的學(xué)生電源、導(dǎo)線、復(fù) 寫紙、紙帶、小木塊、細沙,當滑塊連接上紙帶,用 細線通過滑輪掛上空的小沙桶時,釋放小桶,滑塊 由靜止開始運動.若你是小組中的一位成員,要完 成該項實驗,則:,圖2,(1)你認為還需要的實

5、驗器材有 . (2)實驗時為了保證滑塊受到的合力與沙和沙桶的 總重力大小基本相等,沙和沙桶的總質(zhì)量應(yīng)滿足的 實驗條件是 ,實驗時首先要做的步驟 是 . (3)在(2)的基礎(chǔ)上,某同學(xué)用天平稱量滑塊的質(zhì)量 M,往沙桶中裝入適量的細沙,用天平稱出此時沙和 沙桶的總質(zhì)量m,讓沙桶帶動滑塊加速運動,用打點 計時器記錄其運動情況,在打點計時器打出的紙帶 上取兩點,測出這兩點的間距L以及這兩點對應(yīng)的滑 塊速度的大小v1與v2(v1v2).則本實驗最終要驗證的 數(shù)學(xué)表達式為 .(用題中的字母表示實驗中測量得到的物理量),思路點撥 本實驗利用小沙桶(及沙)的重力表示 滑塊受到的合外力,要注意小沙桶(及沙)的重

6、力等 于滑塊受到的合外力的條件是小沙桶(及沙)的質(zhì) 量遠小于滑塊的質(zhì)量,且不計摩擦阻力(利用平衡 摩擦力的方法).滑塊的速度可以利用由打點計時 器打出的紙帶進行數(shù)據(jù)處理得到. 解析 (1)為了測出滑塊的質(zhì)量和沙桶(及沙)的總 質(zhì)量需要選用天平測量.為了對紙帶進行數(shù)據(jù)處理 需要選用刻度尺. (2)由于小沙桶(及沙)的重力等于滑塊受到的合外 力的條件是小沙桶(及沙)的質(zhì)量遠小于滑塊的質(zhì) 量,且不計摩擦阻力(利用平衡摩擦力的方法).所 以要保證沙和沙桶的總質(zhì)量遠小于滑塊的質(zhì)量.實 驗時首先要做的步驟是平衡摩擦力.,(3)由動能定理可得 答案 (1)天平、刻度尺 (2)沙和沙桶的總質(zhì)量遠小于滑塊的質(zhì)量

7、 平衡摩擦 力(將木板左端適當墊高) (3) 探究動能定理的實驗方法較多,在解決此類 問題之前,首先要弄清本實驗所涉及的實驗原理和 方法,然后再依據(jù)相應(yīng)規(guī)律求解.,點評,變式練習(xí) 某同學(xué)做探究動能定理的實驗,如圖3所 示,圖中小車在一條橡皮筋的作用下彈出,沿木板滑 行,這時,橡皮筋對小車做的功為W.當用2條,3條實 驗時,使每次實驗中橡皮筋伸長的長度都保持一致. 每次實驗中小車獲得的速度都由打點計時器所打的 紙帶測出.,圖3,(1)除了圖中已有的器材外,還需要導(dǎo)線、開關(guān)、 (填測量工具)和 電源(填 “交流”或“直流”). (2)實驗中小車會受到阻力,可以使木板適當傾斜 來平衡摩擦力,需要在

8、(填“左”或“右”) 側(cè)墊高木板. (3)若粗糙的木板水平,小車在橡皮筋的作用下,當 小車速度最大時,關(guān)于橡皮筋所處的狀態(tài)與小車所 在的位置可能是( ) A.橡皮筋處于原長狀態(tài) B.橡皮筋仍處于伸長狀態(tài) C.小車在兩個鐵釘連線處 D.小車已過兩個鐵釘連線處,(4)某次所打紙帶如圖4所示,在正確操作的情況下, 打在紙帶上的點并不都是均勻的,為了測量小車獲 得的速度,應(yīng)選用紙帶的部分進行測量(根據(jù)下面 所示的紙帶回答) 答案 (1)刻度尺 交流 (2)左 (3)B (4)GHIJ,圖4,某同學(xué)用如圖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

9、過打點計時器B的 限位孔,它們均置于水平放置的一端帶有定滑輪 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. (1)該同學(xué)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點的距離.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:,圖5,請以v2為縱坐標,以s為橫坐標在圖6中作出v2-s 圖象.若測出小車質(zhì)量為0.2 kg,結(jié)合圖象可求得小 車所受合外力的大小為 N.,圖6,(2)若該同學(xué)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

10、常范圍.你認為 主要原因是 ,實驗操作中改進的措施 是 . (1)如何減小誤差? (2)由動能定理可知,v2s圖象為直線,應(yīng)使盡可 能多的點分布在直線上,或?qū)ΨQ分布在直線兩側(cè). 在實驗中提煉物理模型,把握好實驗原理,是處理 問題的關(guān)鍵.,思路點撥,解析 (1)將表中的數(shù)據(jù)分別描在坐標系中,然后 在圖中用平滑曲線連接,并且使盡可能多的點分布 在曲線上,或?qū)ΨQ分布在直線兩側(cè),如下圖所示.,由圖中直線的斜率為 由以上 兩式解得F=0.25 N. (2)主要原因是長木板對小車存在摩擦力;應(yīng)將木 板左端墊高,以平衡摩擦力,減小誤差. 答案 (1)0.25 見解析圖 (2)長木板對小車存在摩擦力 將木板左

11、端墊高,以 平衡摩擦力,減小誤差,1.關(guān)于“探究動能定理”的實驗中,下列敘述正確 的是( ) A.每次實驗必須設(shè)法算出橡皮筋對小車做功的 具體數(shù)值 B.每次實驗中,橡皮筋拉伸的長度沒有必要保持 一致 C.放小車的長木板應(yīng)該盡量使其水平 D.先接通打點計時器電源,再讓小車在橡皮筋的 作用下彈出,素能提升,解析 本實驗沒有必要測出橡皮筋做的功到底是 多少焦耳,只要測出以后各次實驗時橡皮筋做的功 是第一次實驗時的多少倍就已經(jīng)足夠了,A錯;每次 實驗橡皮筋伸長的長度必須保持一致,只有這樣才 能保證以后各次實驗時,橡皮筋做的功是第一次實 驗時的整數(shù)倍,B錯;小車運動中會受到阻力,只有 使木板傾斜到一定程

12、度,才能減小誤差,C錯;實驗 時,應(yīng)該先接通電源,讓打點計時器開始工作,然后 再讓小車在橡皮筋的作用下彈出,D正確. 答案 D,2.在用圖7所示裝置做“探究動能定理”的實驗 時,下列說法正確的是( ) A.通過改變橡皮筋的粗細改變拉力做功的數(shù)值 B.通過改變橡皮筋的長度改變拉力做功的數(shù)值 C.通過打點計時器打下的紙帶來測定小車加速 過程中獲得的最大速度 D.通過打點計時器打下的紙帶來測定小車加速 過程中獲得的平均速度,圖7,解析 本題主要考查本實驗的實驗原理,考查學(xué)生 的理解能力.實驗通過增加橡皮筋的條數(shù),使橡皮 筋對小車做的功成倍增加,故A、B錯誤;小車的 速度對應(yīng)的是橡皮筋對小車做功完畢的

13、情形,故C 正確,D錯誤. 答案 C,3.在“探究功與速度變化的關(guān)系”的實驗中,某同 學(xué)是用下面的方法和器材進行實驗的:放在長木 板上的小車由靜止開始在幾條完全相同的橡皮 筋的作用下沿木板運動,小車拉動固定在它上面 的紙帶,紙帶穿過打點計時器.關(guān)于這一實驗,下 列說法中不正確的是 ( ) A.長木板要適當傾斜,以平衡小車運動中受到的 阻力 B.重復(fù)實驗時,雖然用到橡皮筋的條數(shù)不同,但 每次應(yīng)使橡皮筋拉伸的長度相同 C.利用紙帶上的點計算小車的速度時,應(yīng)選用紙 帶上打點最密集的部分進行計算 D.利用紙帶上的點計算小車的速度時,應(yīng)選用紙 帶上打點最稀疏的部分進行計算,解析 在本題的實驗中,由于小車

14、在運動中受到阻 力(摩擦力和紙帶的阻力),所以要使長木板適當傾 斜,以平衡小車運動過程中受到的阻力,重復(fù)實驗 時,為了使橡皮筋對小車所做的功與它的條數(shù)成正 比,所以用到橡皮筋的條數(shù)雖然不同,但每次應(yīng)使 橡皮筋拉伸的長度相同,利用紙帶上的點計算小車 的速度時,由于要計算的是小車脫離橡皮筋后勻速 運動的速度,所以應(yīng)選用紙帶上打點最稀疏的部分 進行計算,故A、B、D選項是正確的. 答案 C,4.為了探究恒力作用時的動能定理,某同學(xué)做了如 下實驗,他讓滑塊在某一水平面上滑行,利用速 度采集器獲取其初速度v,并測量出不同初速度 的最大滑行距離s,得到下表所示幾組數(shù)據(jù):,(1)一同學(xué)根據(jù)表中數(shù)據(jù),作出sv

15、圖象如圖8甲所 示.觀察該圖象,該同學(xué)作出如下推理:根據(jù)sv圖 象大致是一條拋物線,可以猜想,s可能與v2成正比. 請在圖乙所示坐標紙上選擇適當?shù)淖鴺溯S作出圖 線驗證該同學(xué)的猜想.,圖8,(2)根據(jù)你所作的圖象,你認為滑塊滑行的最大距離 s與滑塊初速度平方v2的關(guān)系是 . 解析 (1)做出sv2圖線如下圖所示. (2)由圖可以看出,滑塊滑行的最大距離s與滑塊初 速度平方v2成正方.即:sv2. 答案 (1)見解析圖 (2)s=1.84v2,5.某同學(xué)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: 擺好實驗裝置如圖9所示. 將質(zhì)量為200 g的小車拉到打點計時器附近,

16、并 按住小車.,圖9,在質(zhì)量為10 g、30 g、50 g的三種鉤碼中,他挑 選了一個質(zhì)量為50 g的鉤碼掛在拉線的掛鉤P上. 釋放小車,打開電磁打點計時器的電源,打出一 條紙帶. (1)在多次重復(fù)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40.0 cm. 打下第N點時小車的速度大小為1.00 m/s.該同 學(xué)將鉤碼的重力當作小車所受的拉力,算出: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

17、根據(jù)該同學(xué)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是: . 解析 (1)拉力F=mg=0.0509.8 N=0.49 N 拉力對小車做的功W=Fs=0.490.400 J=0.196 J 小車動能的增量 =0.100 J,(2)誤差很大的可能原因:a.小車質(zhì)量不滿足遠大 于鉤碼質(zhì)量,使鉤碼的重力與小車受到的繩的拉力 差別較大;b.沒有平衡摩擦力;c.先放小車后開電 源,使打第一個點時,小車已有一定的初速度. 答案 (1)0.196 0.100 (2)a.小車質(zhì)量沒有遠大于鉤碼質(zhì)量;b.沒有平衡 摩擦力;c.操作錯誤:先放小車后開電源,6.在“探究恒力做功與動能改變的關(guān)系”實驗中, 某實驗小組采用如圖10所示的實驗裝置和實驗 器材. (1)為了用細線的拉力表示小車受到的合外力,可 以改變木板的傾角,使重力的一個分力平衡小車及 紙帶受到的摩擦力.簡要說明你平衡摩擦力的實驗 判斷方法 .,圖10,(2)用沙和沙桶的重力大小來表示小車受到的合外 力,必須滿足的條件是 . (3)除實驗裝置中的儀器外,還需要的測量儀器有 . (4)如圖11所示為實驗中打出的一條紙帶,現(xiàn)選取 紙帶中的A、B兩點來探究恒力做功與動能改變的 關(guān)系