高三物理第一轮复习实验探究功与速度变化的关系

第8课时实验：探究功与速度变化的关系基础知识归纳1.实验目的探究力对物体做功与物体速度变化的关系.2.实验原理探究功与物体速度变化的关系，可通过改变力对物体做的功，测出力对物体做功不同时物体的速度，为简化实验可将物体初速度设置为零，可用如图所示的装置进行实验，通过增加橡皮筋的条数使橡皮筋对小车做的功成倍增加.再通过打点计时器和纸带来测量每次实验后小车的末速度v.3.实验器材小车(前面带小钩),100g～200g砝码，长木板，两侧适当的对称位置钉两个铁钉，打点计时器及纸带，学生电源及导线(使用电火花计时器不用学生电源),5～6条等长的橡皮筋，刻度尺.4.实验步骤(1)按如图所示将实验仪器安装好，同时平衡摩擦力.(2)先用一条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车获得的速度v1，设此时橡皮筋对小车做的功为W1，将这一组数据记录下来.(3)用2条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次相同，这样橡皮筋对小车做的功为W2，测出小车获得的速度v2，将数据记录下来.(4)用3条、4条、……橡皮筋做实验，用同样的方法测出功和速度，记录下来.(5)分析数据，得出结论.①测量小车的速度：实验获得如图所示的纸带，为探究橡皮筋弹力做功和小车速度的关系，需要测量弹力做功结束时小车的速度，即小车做匀速运动的速度，应在纸带上测量的物理量是(用字母表示)：A1、A2间的距离x，小车速度的表达式是(用测量的物理量表示)v＝xT(T为打点计时器的时间间隔).②实验数据记录(自己设计一个记录数据的表格).③实验数据处理及分析：在坐标纸上画出W-v和W-v2图线(“W”以一根橡皮筋做的功为单位).④实验结论：从图象可知功与物体速度变化的关系为W∝v2.重点难点突破一、数据处理1.计算法：在确定了橡皮筋对小车所做的功并测出了小车获得的速度后，如果作出的W-v曲线不是一条直线，可以采用计算的方法分析数据.即根据测得的速度分别按W∝v2、W∝v3、W∝v、…算出相应的功的值，再与实验确定的功的值进行比较，判断与上述哪一种最接近，它们之间就具有哪一种关系.2.图象法：我们也可根据实验测得的数据，分别作出W-v2曲线、W-v3曲线、W-v曲线、……如果哪一种图象更接近于过原点的倾斜直线，功与速度之间就是哪一种正比关系.3.软件法：利用Excel数表软件进行数据处理.二、误差分析误差是不可避免的，但我们可以尽量减小它.为减小本实验的实验误差，要注意以下几个方面的问题：1.在长木板上，小车、铁钉、打点计时器的位置应调整适当，以保证打在纸带上的点便于处理，求出小车运动的速度.2.平衡摩擦力时，可使木板略微倾斜，作为补偿，保证小车脱离橡皮筋后做匀速运动.3.小车的质量较小，当用多条橡皮筋时，打出的点过少，应改用质量稍大的小车(或加砝码)，以保证打出的点便于处理.三、注意事项1.平衡摩擦力实验中的小车不可避免地要受到摩擦力的作用，摩擦力对小车做负功，我们研究的是橡皮筋做的功与物体速度的关系，应设法排除摩擦力的影响，可采用将木板一端垫高的方法来实现.将木板一端垫高，使重力沿斜面方向的分力与摩擦力相平衡，就能消除摩擦力的影响.判断已平衡掉摩擦力的方法是，轻推一下小车，观察小车不受其他力时能否在木板上做匀速运动.2.我们用2条、3条、……橡皮筋进行第2次、第3次、……实验时，每次实验时橡皮筋伸长的长度都应保持一致.3.实验数据处理时，以橡皮筋对小车做的功W为纵坐标，小车获得的速度为横坐标，以第一次实验时的功W为单位，作出W-v图象，分析这条图线，可以得知橡皮筋对小车做的功W与小车获得的速度v的定量关系.4.打点计时器打出的纸带上相邻各点的间距并不均匀，应选间距均匀的那一段纸带来计算小车的速度，因为这一段是橡皮筋对小车做功完毕时的情形.典例精析1.实验原理和方法【例1】关于探究功与速度变化的关系实验，下列叙述正确的是()A.每次实验必须设法算出橡皮筋对小车做功的具体数据B.每次实验中，橡皮筋的拉伸长度没有必要保持一致C.放小车的长木板应尽量使其水平D.先接通电源，再让小车在橡皮筋的作用下弹出【解析】本实验没有必要测出橡皮筋做的功到底是多少，只要测出以后各次实验时橡皮筋做的功是第一次实验时的多少倍就已经足够了，A错；每次实验橡皮筋拉伸的长度必须保持一致，只有这样才能保证各次实验时，橡皮筋做的功是第一次的整数倍，B错；小车运动中会受到阻力，只有使木板倾斜到一定程度，才能减小误差，C错；实验时，应先接通电源，让打点计时器开始工作，然后再让小车在橡皮筋的作用下弹出，D正确.【答案】D【思维提升】本实验的巧妙之处就在于不需要具体计算橡皮筋所做的功，但要明确实验的原理、步骤及操作方法.【拓展1】对橡皮筋做的功来说，直接测量是有困难的，我们可以巧妙地避开这个难题而不影响问题的解决，只需要测出每次实验时橡皮筋对小车做的功是第一次的多少倍，使用的方法是(C)A.用同样的力对小车做功，让小车通过的距离依次是s、2s、3s、…进行第1次、第2次、第3次、……实验时，力对物体做的功就是W、2W、3W、…B.让小车通过相同的距离，第1次力为F、第2次力为2F、第3次力为3F、……实验时，力对小车做的功就是W、2W、3W、…C.选用相同的橡皮筋，在实验中每次橡皮筋拉伸的长度保持一致，当用1条、2条、3条、……同样的橡皮筋进行第1次、第2次、第3次、……实验时，橡皮筋对物体做的功就是W、2W、3W、…D.利用弹簧秤测量对小车的拉力F，利用直尺测量小车在力的作用下移动的距离s，便可以求出每次实验中力对小车做的功，可控制为W、2W、3W、…2.实验纸带分析【例2】如图所示为与小车相连，穿过打点计时器的一条纸带上的点并不都是均匀的，下面说法正确的是()①纸带的左端是与小车相连的②纸带的右端是与小车相连的③利用E、F、G、H、I、J这些点之间的距离来确定小车的速度④利用A、B、C、D这些点之间的距离来确定小车的速度A.①③B.②④C.①④D.②③【解析】刚开始释放时，与小车相连的一端打出的点应会比较密集，且点的间距逐渐变大，故右端与小车相连；为确定小车速度应选取间距均匀的点，这时橡皮筋已停止对小车作用，故②和④正确，选B.【答案】B【思维提升】分析纸带的基础是对实验原理和步骤的理解.【拓展2】如图所示，小车的运动情况可描述为A、B之间为加速直线运动，C、D之间为匀速直线运动.【解析】纸带上的数据反映了小车的运动情况.由A到B之间可以看出，相邻两点间的位移越来越大，说明A到B这一段时间内小车所做的运动为加速直线运动，而C到D之间各时间间隔内的位移相等，故C到D小车的运动可看成匀速直线运动.3.实验数据处理【例3】在探究功与速度变化的关系实验中小车的质量为300g，使用橡皮筋1～6根，每次实验增加一根，实验中W、v、v2的数据已填在表格中，试在图中作出图象并得出结论.W(J)v(m/s)v2(m2/s2)0001.000.800.642.001.101.213.001.281.644.001.532.345.001.763.106.001.893.57【解析】在图中描点并用平滑的线拟合不难得到W-v图线是曲线，W-v2图线是直线.于是我们可以得出结论：功与速度的平方成正比.【思维提升】用图象法分析两个物理量的关系很直观，也很清晰，以后的学习和实验中要多利用图象来处理数据.4.实验创新【例4】某学生骑自行车在平直的路面上运动，当人停止蹬车后，车由于惯性而继续向前运动，假设运动中自行车所受阻力大小恒定.试根据他骑自行车的运动过程，研究阻力对自行车做功和自行车速度的关系，写出探究思路、所需器材、数据测量及探究结论.【解析】探究思路：阻力大小不变，则阻力做功与位移成正比，设单位位移阻力做功为W0.则全部位移l内，阻力做总功W＝lW0，停止蹬车后，车做匀减速运动，初速度v＝2tlv2所需器材：卷尺、秒表.需测数据：停止蹬车后车运动的位移l和运动时间t.探究结论：W＝lW0，v＝tl2.因阻力一定，停止蹬车后做匀减速运动.由牛顿第二定律：a＝Ffm，故t＝va＝mvFf，代入v＝tl2中，得v2＝mlFf2，结合W＝lW0，最终结论为W与v2成正比.【思维提升】这是一个探究性实验题，应掌握探究的基本过程