【課堂設(shè)計(jì)】14-15高中物理教科版必修2：學(xué)案4.4.2研究合外力做功和動能變化的關(guān)系

第2課時爭辯合外力做功和動能變化的關(guān)系[導(dǎo)學(xué)目標(biāo)]1.會用打點(diǎn)計(jì)時器打下的紙帶計(jì)算物體運(yùn)動的速度.2.學(xué)習(xí)利用物理圖象爭辯功與物體動能變化的關(guān)系.3.通過紙帶與打點(diǎn)計(jì)時器來探究功與動能變化的關(guān)系，體驗(yàn)探究過程和物理學(xué)的爭辯方法．一、試驗(yàn)原理和試驗(yàn)操作1．試驗(yàn)?zāi)康?1)通過試驗(yàn)探究力對物體做的功與物體動能變化的關(guān)系．(2)體會探究的過程和所用的方法．2．試驗(yàn)原理(1)如圖1所示要爭辯合外力做功與物體動能變化的關(guān)系即探究細(xì)線拉力對小車做的功與小車動能轉(zhuǎn)變的關(guān)系，需要測量不同的力在不同過程中做功時，對應(yīng)物體動能的變化量．圖1(2)在砝碼和小盤總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量M的狀況下，可認(rèn)為小車受到的拉力為F＝mg.以拉力對小車做的功W為縱坐標(biāo)，小車獲得的速度的平方v2為橫坐標(biāo)，作出W－v2曲線，從圖線可以得出W與v2的關(guān)系，從而推斷恒力做功與物體動能轉(zhuǎn)變的關(guān)系．3．試驗(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)時器、紙帶、復(fù)寫紙片、刻度尺、細(xì)線．4．試驗(yàn)過程(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)時器，轉(zhuǎn)變木板的傾角，以小車重力的一個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．(2)把細(xì)繩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．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?。?3)接通電源，放開小車，讓小車拖著紙帶運(yùn)動，打點(diǎn)計(jì)時器就在紙帶上打下一系列點(diǎn)．(4)重復(fù)以上試驗(yàn)，選擇一條點(diǎn)跡清楚的紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，由紙帶可以找到位移和時間的信息，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)由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論．二、數(shù)據(jù)處理、誤差分析和試驗(yàn)留意的問題1．?dāng)?shù)據(jù)處理：(1)紙帶數(shù)據(jù)的處理，如圖2所示的紙帶上，(n－1)點(diǎn)、n點(diǎn)、(n＋1)點(diǎn)，到第一點(diǎn)的距離分別是dn－1、dn、dn＋1，則n點(diǎn)速度vn＝eq\f(dn＋1－dn－1,2T).圖2(2)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理①計(jì)算各數(shù)據(jù)中v2和相應(yīng)的外力做功W的數(shù)值填入下表.123456速度v2/(m2·s－2)外力做功W/J②利用坐標(biāo)方格紙，將各組數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上標(biāo)出，然后作出W－v2圖線．如圖作出的圖線是一條直線，說明外力做功W與物體速度的平方v2成正比，即Wv2.2．誤差分析試驗(yàn)中我們把拉力對小車做的功與砝碼和小盤總重力所做的功認(rèn)為是一樣的，但實(shí)際上二者并不相同，這是由于砝碼和小盤總重力與繩的拉力是不一樣的．設(shè)砝碼和小盤總質(zhì)量為m，小車質(zhì)量為M，試驗(yàn)中砝碼和小盤與小車具有相同的加速度，依據(jù)牛頓其次定律可得：a＝eq\f(T,M)＝eq\f(mg,M＋m)即：T＝eq\f(M,M＋m)mg可見，T比mg要小，這正是造成試驗(yàn)誤差的主要緣由．但是當(dāng)mM時，eq\f(M,M＋m)≈1，此時T≈mg，由此可見，要想減小誤差，就應(yīng)當(dāng)盡量使M遠(yuǎn)大于m，也就是讓小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于砝碼和小盤總質(zhì)量．3．留意的問題試驗(yàn)中應(yīng)留意：(1)平衡摩擦．當(dāng)我們用一個恒力對物體做功時，應(yīng)設(shè)法排解其他力的影響，如本試驗(yàn)中用砝碼和小盤的重力對小車供應(yīng)恒定拉力，爭辯這個拉力做功與小車動能轉(zhuǎn)變的關(guān)系，小車和紙帶在運(yùn)動中受的阻力就要消退．由于阻力不行避開，實(shí)際試驗(yàn)中是接受把木板的一端墊高，用小車重力的分力和阻力平衡的方法來等效消退阻力．(2)盡量減小小車的加速度．由于砝碼和小盤拉著小車加速運(yùn)動時，砝碼和小盤處于失重狀態(tài)，小車受的拉力小于砝碼和小盤重力．為減小這一系統(tǒng)誤差，應(yīng)使小車的加速度盡量小，也就是試驗(yàn)中必需滿足砝碼和小盤的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量．例1你能依據(jù)圖3的試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)出探究恒力做功與動能轉(zhuǎn)變的關(guān)系的方案嗎？圖3例2科學(xué)規(guī)律的發(fā)覺離不開科學(xué)探究，而科學(xué)探究可以分為理論探究和試驗(yàn)探究．下面我們追尋科學(xué)家的爭辯腳印?????用試驗(yàn)方法探究恒力做功和物體動能變化間的關(guān)系．圖4(1)某同學(xué)的試驗(yàn)方案如圖4甲所示，他想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試驗(yàn)誤差，你認(rèn)為在試驗(yàn)中還應(yīng)當(dāng)實(shí)行的兩項(xiàng)措施是：①________________________________________________________________________；②________________________________________________________________________.(2)如圖乙所示是某次試驗(yàn)中得到的一條紙帶，其中A、B、C、D、E、F是計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時間間隔為T，距離如圖乙所示，則打C點(diǎn)時小車的速度為________；要驗(yàn)證合外力做的功與小車動能變化間的關(guān)系，除位移、速度外、還要測出的物理量有________．例3某同學(xué)在“探究功與物體動能變化的關(guān)系”的試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了如圖5甲所示的試驗(yàn)．將紙帶固定在重物上，讓紙帶穿過電火花打點(diǎn)計(jì)時器或電磁打點(diǎn)計(jì)時器，先用手提著紙帶，使重物靜止在靠近計(jì)時器的地方，然后接通電源，松開紙帶，讓重物自由下落，計(jì)時器就在紙帶上打下一系列小點(diǎn)，得到的紙帶如圖乙所示，O點(diǎn)為計(jì)時器打下的第1個點(diǎn)，該同學(xué)對數(shù)據(jù)進(jìn)行了下列處理：取OA＝AB＝BC，并依據(jù)紙帶算出了A、B、C三點(diǎn)的速度分別為vA＝0.12m/s，vB＝0.17m/s，vC＝0.21m/s.依據(jù)以上數(shù)據(jù)你能否大致推斷W甲乙圖5第2課時爭辯合外力做功和動能變化的關(guān)系課堂活動區(qū)核心學(xué)問探究例1見解析解析(1)把紙帶的一端固定在小車的后面，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時器．轉(zhuǎn)變木板的傾角，以小車重力的一個分力平衡小車及紙帶受到的摩擦力，使小車做勻速運(yùn)動．(2)把細(xì)繩系在小車上并繞過滑輪，懸掛小盤，在小盤里放入適量的砝碼，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．由于砝碼和小盤質(zhì)量很小，可以認(rèn)為小車所受的拉力F的大小等于砝碼和小盤所受的重力大小，并且是恒定的．(3)接通電源，放開小車，讓小車拖著紙帶運(yùn)動，打點(diǎn)計(jì)時器就在紙帶上打下一系列的點(diǎn)．(4)重復(fù)以上試驗(yàn)．選擇一條點(diǎn)跡清楚的紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，由紙帶可以找到位移和時間的信息，由砝碼和小盤質(zhì)量可以知道小車所受的恒力(小車的質(zhì)量已知)．(5)依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)求出小車動能的變化和小車所受恒力所做的功，并進(jìn)行比較得出結(jié)論．例2(1)①平衡摩擦力②鉤碼的重力遠(yuǎn)小于小車的重力(2)eq\f(Δx2＋Δx3,2T)鉤碼的重力和小車的質(zhì)量例3見解析解析設(shè)由O到A的過程中，重力對重物所做的功為W；那么由O到B的過程中，重力對重物所做的功為2W；由O到C的過程中，重力對重物所做的功為3W.由計(jì)算可知，veq\o\al(2,A)＝1.44×10－2m2/s2，veq\o\al(2,B)＝2.89×10－2m2/s2，veq\o\al(2,C)＝4.41×10－2m2/s2，eq\f(v\o\al(2,B)