【課堂設(shè)計】14-15高中物理教科版必修2：學案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[導學目標]1.會用打點計時器打下的紙帶計算物體運動的速度.2.學習利用物理圖象爭辯功與物體動能變化的關(guān)系.3.通過紙帶與打點計時器來探究功與動能變化的關(guān)系，體驗探究過程和物理學的爭辯方法．一、試驗原理和試驗操作1．試驗目的(1)通過試驗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遠小于小車質(zhì)量M的狀況下，可認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，小車獲得的速度的平方v2為橫坐標，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．試驗器材長木板(一端附有滑輪)、小車、小盤、砝碼若干、打點計時器、紙帶、復寫紙片、刻度尺、細線．4．試驗過程(1)如圖1所示，把紙帶的一端固定在小車后面，另一端穿過打點計時器，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，在小盤里放入適量砝碼，使小車的質(zhì)量遠大于砝碼和小盤的總質(zhì)量，小車在細線的拉力作用下做勻加速運動．由于砝碼和小盤質(zhì)量很小，可認為小車所受拉力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，讓小車拖著紙帶運動，打點計時器就在紙帶上打下一系列點．(4)重復以上試驗，選擇一條點跡清楚的紙帶進行數(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)由試驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論．二、數(shù)據(jù)處理、誤差分析和試驗留意的問題1．數(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、n點、(n＋1)點，到第一點的距離分別是dn－1、dn、dn＋1，則n點速度vn＝eq\f(dn＋1－dn－1,2T).圖2(2)試驗的數(shù)據(jù)處理①計算各數(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利用坐標方格紙，將各組數(shù)據(jù)在坐標紙上標出，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為是一樣的，但實際上二者并不相同，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，這正是造成試驗誤差的主要緣由．但是當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)當盡量使M遠大于m，也就是讓小車的質(zhì)量遠大于砝碼和小盤總質(zhì)量．3．留意的問題試驗中應(yīng)留意：(1)平衡摩擦．當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，小車和紙帶在運動中受的阻力就要消退．由于阻力不行避開，實際試驗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，也就是試驗中必需滿足砝碼和小盤的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量．例1你能依據(jù)圖3的試驗裝置，設(shè)計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科學規(guī)律的發(fā)覺離不開科學探究，而科學探究可以分為理論探究和試驗探究．下面我們追尋科學家的爭辯腳印?????用試驗方法探究恒力做功和物體動能變化間的關(guān)系．圖4(1)某同學的試驗方案如圖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誤差，你認為在試驗中還應(yīng)當實行的兩項措施是：①________________________________________________________________________；②________________________________________________________________________.(2)如圖乙所示是某次試驗中得到的一條紙帶，其中A、B、C、D、E、F是計數(shù)點，相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T，距離如圖乙所示，則打C點時小車的速度為________；要驗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某同學在“探究功與物體動能變化的關(guān)系”的試驗中，設(shè)計了如圖5甲所示的試驗．將紙帶固定在重物上，讓紙帶穿過電火花打點計時器或電磁打點計時器，先用手提著紙帶，使重物靜止在靠近計時器的地方，然后接通電源，松開紙帶，讓重物自由下落，計時器就在紙帶上打下一系列小點，得到的紙帶如圖乙所示，O點為計時器打下的第1個點，該同學對數(shù)據(jù)進行了下列處理：取OA＝AB＝BC，并依據(jù)紙帶算出了A、B、C三點的速度分別為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，另一端穿過打點計時器．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，使小車做勻速運動．(2)把細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)量遠大于砝碼和小盤的總質(zhì)量，小車在細線的拉力作用下做勻加速運動．由于砝碼和小盤質(zhì)量很小，可以認為小車所受的拉力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，讓小車拖著紙帶運動，打點計時器就在紙帶上打下一系列的點．(4)重復以上試驗．選擇一條點跡清楚的紙帶進行數(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，并進行比較得出結(jié)論．例2(1)①平衡摩擦力②鉤碼的重力遠小于小車的重力(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)