(课堂设计)2014-2015高中物理4.4.2研究合外力做功和动能变化的关系学案教科版必修2

第2课时研究合外力做功和动能变化的关系[导学目标]1.会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度.2.学习利用物理图象研究功与物体动能变化的关系.3.通过纸带与打点计时器来探究功与动能变化的关系，体验探究过程和物理学的研究方法．一、实验原理和实验操作1．实验目的(1)通过实验探究力对物体做的功与物体动能变化的关系．(2)体会探究的过程和所用的方法．2．实验原理(1)如图1所示要研究合外力做功与物体动能变化的关系即探究细线拉力对小车做的功与小车动能改变的关系，需要测量不同的力在不同过程中做功时，对应物体动能的变化量．图1(2)在砝码和小盘总质量m远小于小车质量M的情况下，可认为小车受到的拉力为F＝mg.以拉力对小车做的功W为纵坐标，小车获得的速度的平方v2为横坐标，作出W－v2曲线，从图线可以得出W与v2的关系，从而判断恒力做功与物体动能改变的关系．3．实验器材长木板(一端附有滑轮)、小车、小盘、砝码若干、打点计时器、纸带、复写纸片、刻度尺、细线．4．实验过程(1)如图1所示，把纸带的一端固定在小车后面，另一端穿过打点计时器，改变木板的倾角，以小车重力的一个分力平衡小车及纸带受到的摩擦力，使小车能做匀速运动．(2)把细绳系在小车上并绕过定滑轮，悬挂小盘，在小盘里放入适量砝码，使小车的质量远大于砝码和小盘的总质量，小车在细线的拉力作用下做匀加速运动．由于砝码和小盘质量很小，可认为小车所受拉力F的大小等于砝码和小盘所受重力的大小．(3)接通电源，放开小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列点．(4)重复以上实验，选择一条点迹清晰的纸带进行数据分析，由纸带可以找到位移和时间的信息，由砝码和小盘的质量可以知道小车所受的恒力．(小车质量已知)(5)由实验数据得出结论．二、数据处理、误差分析和实验注意的问题1．数据处理：(1)纸带数据的处理，如图2所示的纸带上，(n－1)点、n点、(n＋1)点，到第一点的距离分别是dn－1、dn、dn＋1，则n点速度vn＝dn＋1－dn－12T.图2(2)实验的数据处理①计算各数据中v2和相应的外力做功W的数值填入下表.123456速度v2/(m2·s－2)外力做功W/J②利用坐标方格纸，将各组数据在坐标纸上标出，然后作出W－v2图线．如图作出的图线是一条直线，说明外力做功W与物体速度的平方v2成正比，即2.2．误差分析实验中我们把拉力对小车做的功与砝码和小盘总重力所做的功认为是一样的，但实际上二者并不相同，这是因为砝码和小盘总重力与绳的拉力是不一样的．设砝码和小盘总质量为m，小车质量为M，实验中砝码和小盘与小车具有相同的加速度，根据牛顿第二定律可得：a＝TM＝mg＋即：T＝MM＋mmg可见，T比mg要小，这正是造成实验误差的主要原因．但是当时，MM＋m≈1，此时T≈mg，由此可见，要想减小误差，就应当尽量使M远大于m，也就是让小车的质量远大于砝码和小盘总质量．3．注意的问题实验中应注意：(1)平衡摩擦．当我们用一个恒力对物体做功时，应设法排除其他力的影响，如本实验中用砝码和小盘的重力对小车提供恒定拉力，研究这个拉力做功与小车动能改变的关系，小车和纸带在运动中受的阻力就要消除．因为阻力不可避免，实际实验中是采用把木板的一端垫高，用小车重力的分力和阻力平衡的方法来等效消除阻力．(2)尽量减小小车的加速度．因为砝码和小盘拉着小车加速运动时，砝码和小盘处于失重状态，小车受的拉力小于砝码和小盘重力．为减小这一系统误差，应使小车的加速度尽量小，也就是实验中必须满足砝码和小盘的质量远小于小车的质量．例1你能根据图3的实验装置，设计出探究恒力做功与动能改变的关系的方案吗？图3例2科学规律的发现离不开科学探究，而科学探究可以分为理论探究和实验探究．下面我们追寻科学家的研究足迹用实验方法探究恒力做功和物体动能变化间的关系．图4(1)某同学的实验方案如图4甲所示，他想用钩码的重力表示小车受到的合外力，为了减小这种做法带来的实验误差，你认为在实验中还应该采取的两项措施是：①________________________________________________________________________；②________________________________________________________________________.(2)如图乙所示是某次实验中得到的一条纸带，其中A、B、C、D、E、F是计数点，相邻计数点间的时间间隔为T，距离如图乙所示，则打C点时小车的速度为________；要验证合外力做的功与小车动能变化间的关系，除位移、速度外、还要测出的物理量有________．例3某同学在“探究功与物体动能变化的关系”的实验中，设计了如图5甲所示的实验．将纸带固定在重物上，让纸带穿过电火花打点计时器或电磁打点计时器，先用手提着纸带，使重物静止在靠近计时器的地方，然后接通电源，松开纸带，让重物自由下落，计时器就在纸带上打下一系列小点，得到的纸带如图乙所示，O点为计时器打下的第1个点，该同学对数据进行了下列处理：取OA＝AB＝BC，并根据纸带算出了A、B、C三点的速度分别为vA＝0.12m/s，vB＝0.17m/s，vC＝0.21m/s.根据以上数据你能否大致判断W∝v2?甲乙图5第2课时研究合外力做功和动能变化的关系课堂活动区核心知识探究例1见解析解析(1)把纸带的一端固定在小车的后面，另一端穿过打点计时器．改变木板的倾角，以小车重力的一个分力平衡小车及纸带受到的摩擦力，使小车做匀速运动．(2)把细绳系在小车上并绕过滑轮，悬挂小盘，在小盘里放入适量的砝码，使小车的质量远大于砝码和小盘的总质量，小车在细线的拉力作用下做匀加速运动．由于砝码和小盘质量很小，可以认为小车所受的拉力F的大小等于砝码和小盘所受的重力大小，并且是恒定的．(3)接通电源，放开小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列的点．(4)重复以上实验．选择一条点迹清晰的纸带进行数据分析，由纸带可以找到位移和时间的信息，由砝码和小盘质量可以知道小车所受的恒力(小车的质量已知)．(5)根据实验数据求出小车动能的变化和小车所受恒力所做的功，并进行比较得出结论．例2(1)①平衡摩擦力②钩码的重力远小于小车的重力(2)Δx2＋Δx32T钩码的重力和小车的质量例3见解析解析设由O到A的过程中，重力对重物所做的功为W；那么由O到B的过程中，重力对重物所做的功为2W；由O到C的过程中，重力对重物所做的功为3W.由计算可知，v2A＝1.44×10－2m2/s2，v2B＝2.89×10－2m2/s2，v2C＝4.41×10－2m2/s2，v2Bv2A≈2，v2Cv2A≈3，即v2B≈2v2A，v2C≈3v2A.由以上数据可以判定W∝v2是正确的，也可以根据W－v2的图象来判断，如下图所示．