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

實驗5探究做功與物體速度變化的關(guān)系考綱解讀(1)通過實驗探究力對物體做的功與物體速度變化的關(guān)系。(2)體會探究的過程和所用的方法。實驗原理為了探究功與速度變化的關(guān)系，需要測量功和初、末兩個狀態(tài)的速度。在方案一中，功的大小等于小車所受的合力與小車位移的乘積，當(dāng)懸掛重物的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量及小車所受的阻力已被平衡時，功的大小約等于重物重力與小車位移的乘積。在方案二中，不需要測量功的具體數(shù)值，分別用1根、2根、3根相同的橡皮筋時，橡皮筋對小車做功的大小分別是W、2W、3W。這兩種方案中，小車獲得的速度都可利用打點計時器測量，然后通過圖象法找出功與速度變化的關(guān)系。實驗器材方案一：重物(小盤中放砝碼或砂桶中盛砂)、打點計時器、小車、紙帶、復(fù)寫紙、電源、導(dǎo)線、刻度尺、一端帶有滑輪的長木板、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)、長短、粗細(xì)均相同)、打點計時器、小車、紙帶、復(fù)寫紙、電源、導(dǎo)線、刻度尺、木板、鐵釘、坐標(biāo)紙等。實驗步驟方案一：(1)用天平測出重物的質(zhì)量m(mM車)，將數(shù)據(jù)記錄在表中。(2)將打點計時器固定在長木板上沒有滑輪的一端，紙帶的一端夾在小車后端，另一端穿過打點計時器。將長木板安裝有打點計時器的一端適當(dāng)墊高，調(diào)整高度，直至輕推小車后，恰能使小車拖著紙帶在木板上做勻速運動為止。(3)在小車前系好細(xì)線并通過滑輪掛上重物。將小車置于靠近打點計時器處。接通打點計時器電源，釋放小車。(4)改變重物質(zhì)量，重做上述實驗。(5)如圖1所示，將紙帶上的第一個點記為計數(shù)點O，再在紙帶的后端選擇連續(xù)的5個打印點分別記為計數(shù)點1、2、3、4、5。分別測出計數(shù)點1、2、3、4、5至計數(shù)點O的距離(即小車的位移l)，并利用打上點的紙帶，測出打各計數(shù)點時小車的速度v，將實驗數(shù)據(jù)記錄在表中。圖1(6)將計算得到的功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。兩次實驗可以在同一坐標(biāo)系中作出兩條圖線。(8)整理實驗器材。方案二：(1)將打點計時器固定在長木板的一端，紙帶的一端夾在小車后端，另一端穿過打點計時器。將長木板安裝有打點計時器的一端適當(dāng)墊高，調(diào)整高度，直至輕推小車后，恰能使小車拖著紙帶在長木板上勻速運動為止。(2)將橡皮筋的一端固定在長木板前端的鐵釘上，另一端固定在小車前端的鉤子上。將小車置于靠近打點計時器處，記下小車的位置。接通打點計時器的電源，釋放小車。(3)用2根、3根、4根、5根相同的橡皮筋分別代替1根橡皮筋重做實驗，保證每次釋放小車的位置相同，即橡皮筋被拉長的長度相同。(4)在上述實驗中打出的5條紙帶上分別找出小車近似做勻速運動的點，并分別求出勻速運動時的速度v，將實驗數(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)整理實驗器材。注意事項1.平衡摩擦力很關(guān)鍵，將木板一端墊高，使小車重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡。方法是輕推小車，由打點計時器打在紙帶上點的均勻程度判斷小車是否勻速運動，找到木板一個合適的傾角。2.測小車速度時，紙帶上的點應(yīng)選點跡均勻的部分，也就是選小車做勻速運動狀態(tài)的部分。3.方案二中橡皮筋的功不需測量，橡皮筋應(yīng)選規(guī)格一樣的，力對小車做的功，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，然后乘以小車經(jīng)過位移計算。4.小車質(zhì)量應(yīng)大一些，使紙帶上打的點多一些。5.方案一中要保證所掛鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。熱點一教材原型實驗【例1】某同學(xué)把附有滑輪的長木板平放在實驗桌上，將細(xì)繩一端拴在小車上，另一端繞過定滑輪，掛上適當(dāng)?shù)你^碼，使小車在鉤碼的牽引下運動，以此定量“探究繩拉力做功與小車動能變化的關(guān)系”。此外還準(zhǔn)備了打點計時器及配套的電源、導(dǎo)線、復(fù)寫紙、紙帶、小木塊等。組裝的實驗裝置如圖2所示。圖2(1)若要完成該實驗，必需的實驗器材還有_。(2)實驗開始時，他先調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度，使?fàn)恳≤嚨募?xì)繩與木板平行。他這樣做的目的是下列的哪個_(填字母代號)。A.避免小車在運動過程中發(fā)生抖動B.可使打點計時器在紙帶上打出的點跡清晰C.可以保證小車最終能夠?qū)崿F(xiàn)勻速直線運動D.可在平衡摩擦力后使細(xì)繩拉力等于小車受的合力(3)平衡摩擦力后，當(dāng)他用多個鉤碼牽引小車時，發(fā)現(xiàn)小車運動過快，致使打出的紙帶上點數(shù)較少，難以選到合適的點計算小車速度。在保證所掛鉤碼數(shù)目不變的條件下，請你利用本實驗的器材提出一個解決方法：_。(4)他將鉤碼重力做的功當(dāng)作細(xì)繩拉力做的功，經(jīng)多次實驗發(fā)現(xiàn)拉力做功總是要比小車動能增量大一些。這一情況可能是下列哪些原因造成的_(填字母代號)。A.在接通電源的同時釋放了小車B.小車釋放時離打點計時器太近C.阻力未完全被小車重力沿木板方向的分力平衡掉D.鉤碼做勻加速運動，鉤碼重力大于細(xì)繩拉力解析(1)根據(jù)實驗原理可知，需要驗證mgxMv2，同時根據(jù)運動學(xué)規(guī)律可知，此實驗中需要測量鉤碼質(zhì)量、小車質(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)小車所受合外力，故選項D正確；(3)紙帶上打出的點較少，說明小車的加速度過大(即小車過快)，故可知減小鉤碼質(zhì)量或增加小車質(zhì)量(在小車上加上適量的砝碼)；(4)在此實驗中，根據(jù)牛頓第二定律可知，鉤碼的重力大于細(xì)繩的拉力，而實驗中用重力代替拉力會導(dǎo)致拉力做功大于小車動能增量；如果實驗未平衡或未完全平衡摩擦力也會導(dǎo)致拉力做功大于動能增量，故選項C、D正確。答案(1)刻度尺、天平(包括砝碼)(2)D(3)可在小車上加適量的砝碼(或鉤碼)(4)CD熱點二實驗拓展創(chuàng)新1.裝置時代化2.求解智能化(1)摩擦阻力問題：靠小車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)速度的測量方法：勻速運動速度測量紙帶上各點速度光電門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)繩通過定滑輪與鉤碼相連，光電門安裝在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，光電門記錄的時間為t。圖3(1)用螺旋測微器測量遮光條的寬度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_。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”的實驗時，下列說法正確的是_。圖4A.為了平衡摩擦力，實驗中可以將長木板的左端適當(dāng)墊高，使小車?yán)┻^打點計時器的紙帶自由下滑時能保持勻速運動B.為簡便起見，每次實驗中橡皮筋的規(guī)格要相同，拉伸的長度要一樣C.可以通過改變橡皮筋的條數(shù)來改變拉力做功的數(shù)值D.可以通過改變小車的質(zhì)量來改變拉力做功的數(shù)值E.實驗中要先釋放小車再接通打點計時器的電源F.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G.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解析左端墊高利用小車的重力沿斜面向下的分力與摩擦力平衡來滿足橡皮筋做功是合力功。實驗中要求橡皮筋規(guī)格相同，拉伸長度相同即每個橡皮筋做功相等，所以只要通過改變橡皮筋條數(shù)就可以改變做功的數(shù)值，利用打點計時器時應(yīng)該先接通電源再釋放紙帶。當(dāng)橡皮筋松弛時，即加速結(jié)束時，小車做勻速運動，此時速度即為小車獲得的最大速度。答案ABCF2.“探究功與速度變化的關(guān)系”的實驗裝置如圖5所示，當(dāng)小車在一條橡皮筋作用下彈出時，橡皮筋對小車做的功記為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次實驗時，橡皮筋對小車做的功記為2W、3W、4W每次實驗中小車獲得的最大速度可由打點計時器所打出的紙帶測出。圖5(1)關(guān)于該實驗，下列說法正確的是_。A.打點計時器可以用干電池供電B.實驗儀器安裝時，可以不平衡摩擦力C.每次實驗小車必須從同一位置由靜止彈出D.利用每次測出的小車最大速度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，給出了某次實驗打出的紙帶，從中截取了測量小車最大速度所用的一段紙帶，測得A、B、C、D、E相鄰兩點間的距離分別為AB1.48 cm，BC1.60 cm，CD1.62 cm，DE1.62 cm；已知相鄰兩點打點時間間隔為0.02 s，則小車獲得的最大速度vm_m/s。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)圖6解析(1)打點計時器必須用交流電，A項錯誤；實驗儀器安裝時，必須平衡摩擦力，B項錯誤；每次實驗小車必須從同一位置由靜止彈出，C項正確；根據(jù)所得數(shù)據(jù)分別作出橡皮筋所做的功W與小車獲得的最大速度或小車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項正確。(2)小車獲得的最大速度v m/s0.81 m/s。答案(1)CD(2)0.813.為了“探究動能改變與合外力做功的關(guān)系”，某同學(xué)設(shè)計了如下實驗方案：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的滑塊通過細(xì)繩與質(zhì)量為m的帶夾子的重錘跨過定滑輪相連，重錘下連一穿過打點計時器的紙帶，調(diào)整木板傾角，直到輕推滑塊后，滑塊沿木板向下勻速運動，如圖7甲所示。第二步：保持長木板的傾角不變，將打點計時器安裝在長木板靠近滑輪處，取下細(xì)繩和重錘，將滑塊與紙帶相連，使紙帶穿過打點計時器，然后接通電源，釋放滑塊，使之從靜止開始向下加速運動，打出紙帶，如圖乙所示。打出的紙帶如圖丙所示。圖7請回答下列問題：(1)已知O、A、B、C、D、E、F相鄰計數(shù)點間的時間間隔為t，根據(jù)紙帶求滑塊運動的速度，打點計時器打B點時滑塊運動的速度vB_。(2)已知重錘質(zhì)量為m，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間，要測出某一過程合外力對滑塊做的功還必須測出這一過程滑塊_(寫出物理量名稱及符號，只寫一個物理量)，合外力對滑塊做功的表達(dá)式W合_。(3)算出滑塊運動OA、OB、OC、OD、OE段合外力對滑塊所做的功W以及在A、B、C、D、E各點的速度v，以v2為縱軸、W為橫軸建立直角坐標(biāo)系，描點作出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，由動能定理可知W合Ek，即mgxEk。(3)v2W圖象應(yīng)該為一條過原點的傾斜直線，根據(jù)EkMv2 可求得M的值。答案(1)(2)下滑的位移xmgx(3)過原點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”的實驗，圖中是小車在一條橡皮筋作用下彈出，沿木板滑行的情形。這時，橡皮筋對小車做功記為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次實驗時，每次橡皮筋都被拉伸到同一位置釋放。小車每次實驗中獲得的速度可以由打點計時器所打的紙帶測出，圖9甲為某次實驗中打出的紙帶。圖8(1)除了圖中已給出的實驗器材和電源外，還需要的器材有_。(2)實驗時為了使小車只在橡皮筋作用下運動，應(yīng)采取的措施是_。(3)每次實驗得到的紙帶上的點分布并不都是均勻的，為了測量小車最終獲得的末速度，應(yīng)選用紙帶的_部分進(jìn)行測量。(4)下面是本實驗的數(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_，請你運用表中的數(shù)據(jù)在如圖乙所示的坐標(biāo)系中作出相應(yīng)的圖象，以驗證理論的正確性。圖9解析(1)要計算某點速度的大小，必須要測量紙帶上計數(shù)點間的距離，除