2017-2018學年高中創(chuàng)新設計物理教科版必修2學案：第4章實驗：研究合外力做功和物體動能變化的關系

1、實驗：研究合外力做功和物體動能變化的關系閱讀教材第69頁“研究合外力做功和動能變化的關系”部分，知道此實驗的原理、器材、步驟、數據處理、注意事項。一、實驗原理由重物通過滑輪牽引小車，當小車的質量比重物大得多時，可以把重物所受的重力當作小車受到的牽引力。如圖1所示。圖1測量重物的質量（對應小車受到的牽引力），小車運動的距離及對應這段距離的初、末速度（小車質量已知），從而探究牽引力做的功與小車動能變化間的關系。二、實驗器材長木板（一端附有滑輪）、小車、小盤、祛碼若干、打點計時器、紙帶、復寫紙、刻度尺、細線、低壓交流電源。三、實驗步驟1 .平衡摩擦力：如圖1所示，將安裝有打點計時器的長木板一端墊高，

2、把紙帶的一端固定在小車后面，另一端穿過打點計時器，不掛重物，改變木板的傾角，使小車能做勻速運動。2 .把細繩系在小車上并繞過定滑輪，懸掛小盤，在小盤里放入適量祛碼，使小車的質量遠大于祛碼和小盤的總質量，小車在細繩的拉力作用下做勻加速運動。3 .先接通電源,再放開小車（填“放開小車”或“接通電源”），讓小車拖著紙帶運動，打點計時器就在紙帶上打下一系列點。4 .重復以上實驗，選擇一條點跡清晰的紙帶進行數據分析，由實驗數據得出結論。四、數據處理Xn Xn 1V nn 2T計算紙帶上選定的點的1 .小車速度的測量：通過實驗獲得打點的紙帶，利用“勻變速直線運動中，某段時間內的平均速度等于該段時間中間時刻

3、的瞬時速度”即速度。2 .外力做功的測量：確定所掛鉤碼的重力G,即確定小車受到的合外力F（F=G）,由紙帶測出位移，然后由W=Fx算出功的數值。3 .計算各數據中v2、1mv2和相應的合外力做功W的數值并填入下表。數據編號物理量123456速度v2/(m2s2)動能2mv2/J合外力做功W/J4.比較各次實驗中合外力做的功和物體動能變化的數值，從而得到合外力對物體做的功和物體動能變化之間的關系。五、注意事項1 .平衡摩擦力時，不掛重物，輕推小車后，小車能做勻速直線運動。2.必須保證所掛小盤和祛碼的質量遠小壬小車的質量。要點D實驗原理及操作精典示例例1某同學為探究“合力做功與物體動能變化的關系”

4、，設計了如下實驗，他的操作步驟是：按圖2擺好實驗裝置，其中小車質量M=0.20kg,鉤碼總質量m=0.05kg。釋放小車，然后接通打點計時器的電源（電源頻率為f=50Hz）,打出一條紙帶。圖2（1）他在多次重復實驗得到的紙帶中取出自認為滿意的一條，如圖3所示。把打下的第一點記作0,然后依次取若干個計數點，相鄰計數點間還有4個點未畫出，用厘米刻度尺測得各計數點到0點距離分別為d1=0.004m。d2=0.055m,d3=0.167m,d4=0.256m,d5=0.360m,d6=0.480m，他把鉤碼重力（當地重力加速度g=9.8m/s2）作為小車所受合力算出打下0點到打下第5點合力做功W=J（

5、結果保留三位有效數字），把打下第5點時小車動能作為小車動能的改變量，算得Ek=。（結果保留三位有效數字）圖3（2）此次實驗探究的結果，他沒能得到“合力對物體做的功，等于物體動能的增量”，且誤差很大。通過反思，他認為產生誤差的原因如下，其中正確的是。A.鉤碼質量太大，使得合力對物體做功的測量值比真實值偏大太多B.沒有平衡摩擦力，使得合力對物體做功的測量值比真實值偏大太多C.釋放小車和接通電源的次序有誤，使得動能增量的測量值比真實值偏小D.沒有使用最小刻度為毫米的刻度尺測距離也是產生此誤差的重要原因解析（1）小車受到的合外力F=mg=0.05X9.8N=0.49N拉力對小車做的功W=Fd5=0.4

6、9X0.360J=0.176J小車打第5個點時獲得的速度d6-d40.224v5=-=m/s=1.12m/s2T2X0.112_小車動能的變化Ek=2Mv50.125J答案(1)0.1760.125 J (2)AB要點實驗數據處理精典示例例2某實驗小組利用拉力傳感器和速度傳感器研究合外力做功和動能變化的關系。如圖4所示，他們將拉力傳感器固定在小車上，用不可伸長的細線將其通過一個定滑輪與鉤碼相連，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50.0cm的A、B兩點各安裝一個速度傳感器，記錄小車通過A、B時的速度大小。小車中可以放置祛碼。圖4(1)實驗主要步驟如下：測量和拉力傳感器的總質量

7、Mi；把細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，接通電源，小車在細線拉動下運動，記錄細線拉力及小車通過A、B時的速度。在小車中增加祛碼，重復的操作。(2)下表是他們測得的一組數據，其中M是Mi與小車中祛碼質量之和，M2v2|是兩個速度傳感器所記錄速度的平方差，可以據此計算出動能變化量AEk,F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AEk3=,W3=。(結果保留三位有效數字)次數M/kg,222M2v1|/(m/s)AEk/JF/NW/J10.5000.7600.1900.4000.20020.5001.6500.4130.

8、8400.42030.5002.400AEk31.220W341.0002.4001.2002.4201.21051.0002.8401.4202.8601.430(3)根據上表數據在圖5中作出AEk-W圖線。答案（1）小車然后釋放小車（2）0.6000.610（3）如圖所示1.在“探究恒力做功與動能改變的關系”實驗中（裝置如圖6）:圖6（1）下列說法中正確的是（）A.平衡摩擦力時必須將鉤碼通過細線掛在小車上B.為減小系統(tǒng)誤差，應使鉤碼質量遠大于小車質量C.實驗時，應使小車靠近打點計時器并由靜止釋放（2）圖7是實驗中獲得的一條紙帶的一部分，選取O、A、B、C計數點，已知打點計時器使用的交流電頻

9、率為50Hz,則打B點時小車的瞬時速度大小為m/s（保留三位有效數字）。圖7解析（1）平衡摩擦力的原理就是在沒有拉力的情況下調整斜面傾角，使小車重力沿木板向下的分力平衡小車和紙帶所受阻力，不應掛車碼，A錯；為減小系統(tǒng)誤差應使鉤碼質量遠小于小車質量，B錯；實驗時使小車靠近打點計時器能充分利用紙帶，由靜止釋放，則測出的動能即等于該過程的動能變化量，便于利用實驗數據進行探究，故選Co（2）據VB=X2AC=0.653m/s可得打B點時小車的瞬時速度。答案（1）C（2）0.6532 .某同學利用圖8甲的實驗裝置做“探究合外力做功與動能變化之間的關系”的實驗。在盡量減小摩擦阻力的情況下，先接通打點計時器

10、的電源，再釋放紙帶，讓質量m=1.00kg的重物由靜止下落，在紙帶上打出一系列的點，如圖乙所示，A、B、C分別為所選取的計數點，且。為開始打出的第一點，OA之間有若干點未標出，相鄰計數點的時間間隔為0.022s,重力加速度g取9.80m/s。圖8（1）釋放紙帶前，紙帶的（填O”或C”端在上面。（2）重物從O運動到B的過程中，動能的變化量AEk=J（取兩位有效數字）。（3）列舉一種能有效減小實驗誤差的做法。解析（1）因紙帶打出的第一點是。點，故釋放紙帶前，紙帶的C端在上面。2xAC(9.444.81齊1012(2)B帶的速度v=T=0-04m/s=1.16m/s,動能的變化量AEk=mv0=0.

11、67Jo(3)減小實驗誤差的做法是多次測量取平均值。答案(1)C(2)0.67(3)多次測量取平均值3 .某實驗小組的同學欲“探究合外力做功與小車動能變化之間的關系”，在實驗室設計了一套如圖9甲所示的裝置，圖中A為小車，B為打點計時器，C為彈簧測力計，P為小桶(內有沙子)，一端帶有定滑輪的足夠長的木板水平放置，不計繩與滑輪的摩擦。實驗時，把長木板不帶滑輪的一端墊起適當的高度，以平衡摩擦力，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。圖9(1)該同學在一條比較理想的紙帶上，從點跡清楚的某點開始記為零點，順次選取一系列點，分別測量這些點到零點之間的距離x,計算出它們與零點之間的速度平方差

12、Av2=v2v2,彈簧秤的讀數為F,小車的質量為m,然后建立Av2x坐標系，通過描點法得到的圖像是一條過原點的直線，如圖乙所示，則這條直線的斜率的意義為。(填寫表達式)(2)若測出小車質量為0.4kg,結合圖像可求得小車所受合外力的大小為N。(3)本實驗中是否必須滿足小桶(含內部沙子)的質量遠小于小車的質量(填“是”或“否”)。解析根據v2-v0=2ax可以知道圖像斜率表示2倍加速度大小，根據牛頓第二定律，0.30 2F0.06= 0.4F=1 N,小車所受的合力一，2F-，i，一一，亦即表示言，若小車質量為0.4kg,結合圖像可知有:可以知道其準確數值，不需要取近似值，所以對小桶質量和小車質

13、量關系沒有要求。答案2F(2)1否4 .在“探究動能定理的實驗”中，某實驗小組組裝了一套如圖10所示的裝置，拉力傳感器固定在小車上，一端與細繩相連，用拉力傳感器記錄小車受到拉力的大小。穿過打點計時器的紙帶與小車尾部相連接，打點計時器打點周期為T,實驗的部分步驟如下：圖10(1)平衡小車所受的阻力：不掛鉤碼，調整木板右端的高度，用手輕推小車，直到打點計時器在紙帶上打出一系列的點。(2)測量小車和拉力傳感器的總質量M,按圖組裝好儀器，并連接好所需電路，將小車停在打點計時器附近，先接通拉力傳感器和打點計時器的電源，然后,打出一條紙帶，關閉電源。(3)在打出的紙帶中選擇一條比較理想的紙帶如圖11所示，

14、在紙帶上按打點先后順序依次取O、A、B、C、D、E等多個計數點，各個計數點到。點間的距離分別用hA、hB、hC、hD、hE表示，則小車和拉力傳感器在計時器打下D點時的動能表達式為,若拉力傳感器的讀數為F,計時器打下A點到打下D點過程中，細繩拉力對小車所做功的表達式為。圖11(4)某同學以A點為起始點，以A點到各個計數點動能的增量AEk為縱坐標，以A點到各個計數點拉力對小車所做的功W為橫坐標，得到一條過原點的傾角為45。的直線，由此可以得到的結論是。解析(1)當打點計時器在紙帶上打出一系列間隔均勻的點時，小車做勻速直線運動，受力平衡，即平衡摩擦力。(2)在組裝好實驗裝置的基礎上，進行實驗時應先接

15、通電源，再放開小車。hEhe(3)D點的瞬時速度等于CE段的平均速度，即vd=故打下D點時的動能為EkD212MhEhe=；mvD=Q-一；拉力對小車做的功為W=F(hD-hA)o28T(4)因圖線是一條過原點的直線，故可得結論：外力所做的功，等于物體動能的變化量。2答案(1)間距相等(2)釋放小車(3)Mh二C)8TF(hD-hA)(4)外力所做的功，等于物體動能的變化量5.某實驗小組利用如圖12所示的裝置探究功和動能變化的關系，他們將寬度為d的擋光片固定在小車上，用不可伸長的細線將其通過一個定滑輪與祛碼盤相連，在水平桌面上的A、B兩點各安裝一個光電門，記錄小車通過A、B時的遮光時間，小車中

16、可以放置祛碼。(1)(多選)實驗中木板略微傾斜，這樣做的目的是()A.為了使釋放小車后，小車能勻加速下滑B.為了增大小車下滑的加速度C.可使得細線拉力做的功等于合力對小車做的功D.可使得小車在未施加拉力時能勻速下滑(2)將小車停在C點，在祛碼盤中放上祛碼，小車在細線拉動下運動，記錄此時小車及小車中祛碼的質量之和為M,祛碼盤和盤中祛碼的總質量為m,小車通過A、B時的遮光時間分別為ti、t2,則小車通過A、B過程中動能的變化量AE=(用M、3t2、d表不)。圖12解析(1)為了使細線拉力充當合力，即細線拉力做的功等于合力對小車做的功，應先平衡摩擦力，摩擦力平衡好的檢測標準即：可使得小車在未施加拉力

17、時做勻速直線運動，故C、D正確。d(2)小車通過A時的速度：VA=1小車通過B時的速度：VB=d;t2則小車通過A、B過程中動能的變化量正=2M vB 2 MvA=2Md2(1_12)。答案(1)CD(2)2Md2(L)6.質量為1kg的重物自由下落，通過打點計時器在紙帶上記錄運動的過程，打點計時器所接電源為6V、50Hz的交流電源。如圖13所示，紙帶上。點為重物自由下落時紙帶打點的起點，選取的計數點A、B、C、D、E、F、G依次間隔一個點(圖中未畫出)，紙帶上的數據表示各計數點與O點間的距離。圖13計數點BCDEF功/J(3)適當選擇坐標軸，在圖14中作出重物重力做的功與重物速度的平方之間的關系