2020版高中物理 第七章 机械能守恒定律 6 实验探究功与速度变化的关系 实验课件 新人教版必修2

6.实验:探究功与速度变化的关系【实验目的】1.通过实验探究力对物体做功与物体速度变化的关系。2.经历探究过程,体会科学方法。【实验原理】1.功的确定:让橡皮筋拉动小车做功使小车的速度增加,使拉小车的橡皮筋的条数由1条变为2条、3条…则橡皮筋对小车做的功为W、2W、3W…2.速度的计算:通过对打点计时器所打纸带的测量计算出每次橡皮筋做功结束时小车的速度。3.分析每次橡皮筋做的功与物体速度的关系,即可总结出功与速度变化的关系。【实验器材】木板、橡皮筋(若干)、小车、电火花打点计时器(或电磁打点计时器、复写纸、学生电源)、交流电源、纸带、刻度尺等。【实验过程】一、实验步骤1.按如图所示安装好实验仪器。2.平衡摩擦力:将安装有打点计时器的长木板的一端垫起,纸带穿过打点计时器,不挂橡皮筋,接通电源,轻推小车,直至打点计时器在纸带上打出间隔均匀的点。3.第一次先用一条橡皮筋做实验,用打点计时器和纸带记录小车的运动情况。4.换用2条、3条、4条…同样的橡皮筋做实验,并使橡皮筋拉伸的长度都和第一次相同,用打点计时器和纸带记录小车的运动情况。二、数据处理1.速度数值的获得:实验获得的是如图所示的纸带,为探究橡皮筋弹力做功与小车速度的关系,需要测量的是弹力做功结束时小车的速度,即小车做匀速运动的速度。所以,应该在纸带上测量的物理量是图中间隔均匀的点A1、A2、A3间的距离x,小车此时速度的表达式为v=,其中T是打点计时器的打点周期。xT2.计算小车做的功分别为W、2W、3W…时对应的v、v2、v3…的数值,填入表格。WvnW2W3W4W5Wvv2v3v3.逐一与W的一组数值对照,判断W与v、v2、v3…的可能关系或尝试着分别画出W与v、W与v2、W与v3、W与间关系的图象,找出哪一组的图象是直线,从而确定功与速度的正确关系。v【误差分析】1.误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一,使橡皮筋拉力做的功与橡皮筋的条数不成正比。2.误差的另一主要来源是摩擦力平衡得不合适。3.利用纸带确定物体的速度时,点间距测量不准也会带来误差。4.作图描点不准带来误差。【注意事项】1.平衡摩擦力的方法:将木板一端垫高,轻推小车,由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否做匀速运动。2.测小车速度时,应选纸带上点均匀的部分,也就是测小车做匀速运动时的速度。3.所选橡皮筋的劲度系数应小一些,小车质量应大一些,以使纸带上打的点多一些。4.所选橡皮筋的规格应一样,力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可,不必计算出具体数值。5.每次释放小车时,都要让它从同一位置由静止开始运动。【实验探究】1.本实验中:(1)为什么要平衡摩擦力?(2)应怎样平衡?(3)如何判断是否平衡摩擦力?提示:(1)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,我们研究的是绳的拉力或橡皮筋做的功与小车速度的关系,应设法排除摩擦力的影响。(2)可采用将木板一端垫高的方法来做实验,将木板一端适当垫高,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。(3)当不挂重物或橡皮筋时,使小车带着纸带运动,如果打出的纸带上点的间隔分布均匀,则证明已平衡了摩擦力。2.改变橡皮筋的条数后,为什么要把小车拉到相同的位置释放?不这样做会出现什么现象?提示:每次必须拉至相同位置,目的是保证每次实验每条橡皮筋的弹性势能相同,这样橡皮筋总的弹性势能与条数成正比,使得做的功与橡皮筋的条数成正比,随着橡皮筋条数的增多,做功分别为W、2W、3W…若不严格拉至同一位置,就不满足上述情况,会造成误差加大。3.实验完毕后,我们用什么方法分析细绳或橡皮筋对小车做的功和小车速度的关系?提示:通过数据处理,经过对比分析,得出W与v的关系。在寻找W与v的关系时有以下两种方法:一种是计算法,比较繁琐,计算量比较大。另一种是图象法,分别画出W-v,W-v2,W-v3图象,然后进行对比分析,简单直观,可以减少偶然误差,一般采取图象法进行操作。4.如果物体初速度不为零,外力做功与速度变化的关系又怎样?提示:如果物体的初速度不为零,则外力做功W与v2不再成正比例关系,而是与v2-v02成正比例关系。类型1实验原理及注意事项【典例1】(2019·永州高一检测)用如图所示的装置探究功与物体速度变化的关系。实验时,先适当垫高木板,然后由静止释放小车,小车在橡皮筋弹力的作用下被弹出,沿木板滑行。小车滑行过程中带动通过打点计时器的纸带,记录其运动情况。观察发现纸带前面部分点迹疏密不匀,后面部分点迹比较均匀,回答下列问题:(1)适当垫高木板是为了____________________。(2)通过纸带求小车速度时,应使用纸带的________(选填“全部”“前面部分”或“后面部分”)。(3)若实验做了n次,所用橡皮筋分别为1根、2根…n根,通过纸带求出小车的速度分别为v1、v2…vn,用W表示橡皮筋对小车所做的功,作出的W-v2图线是一条过坐标原点的直线,这说明W与v的关系是______________。【解析】(1)为使橡皮筋对小车做的功等于合力对小车做的功,需利用小车重力沿木板方向的分力平衡摩擦力。(2)实验中需要求橡皮筋做功后小车获得的速度,所以应用纸带的后面部分。(3)“过原点的直线”意味着纵横坐标轴对应的两个量成正比关系。答案:(1)平衡摩擦力(2)后面部分(3)W与速度v的平方成正比【补偿训练】探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系,实验装置如图所示。以下关于该实验的说法中有一项不正确,它是()A.本实验设计让橡皮筋对小车做的功分别为W、2W、3W…所采用的方法是选用同样的橡皮筋,并在每次实验中使橡皮筋拉伸的长度保持一致。当用1条橡皮筋进行实验时,橡皮筋对小车做的功为W,用2条、3条…橡皮筋并在一起进行第2次、第3次…实验时,橡皮筋对小车做的功分别是2W、3W…B.小车运动中会受到阻力,补偿的方法是使木板适当倾斜C.某同学在一次实验中,得到一条记录纸带,纸带上打出的点,两端密、中间疏,出现这种情况的原因可能是没有使木板倾斜或倾角太小D.根据记录纸带上打出的点,求小车获得的速度的方法是以纸带上第一点到最后一点的距离来进行计算【解析】选D。实验中选用规格相同的橡皮筋,所以分别使用1、2、3…条橡皮筋进行实验,并每次实验中使橡皮筋拉伸的长度保持一致时,对小车所做的功分别是W、2W、3W…选项A正确;小车运动中会受到阻力,本实验采用适当倾斜木板的方法以平衡摩擦力,选项B正确;纸带上打出的点,两端密、中间疏,说明小车先做加速运动,后做减速运动,即小车所受合力先沿斜面向下,后沿斜面向上,根据橡皮筋产生的弹力变化特点可知,小车一定受到摩擦阻力作用,故选项C正确;外力做功结束后小车速度达到最大,表现为纸带上点间距离最大且分布相对均匀,因此,选择“点”计算速度时,应用纸带上最后一段点间距离进行计算,选项D错误。类型2实验数据处理【典例2】(2019·江苏高考)某兴趣小组用如图1所示的装置验证动能定理。(1)有两种工作频率均为50Hz的打点计时器供实验选用:A.电磁打点计时器B.电火花打点计时器为使纸带在运动时受到的阻力较小,应选择______(选填“A”或“B”)。(2)保持长木板水平,将纸带固定在小车后端,纸带穿过打点计时器的限位孔。实验中,为消除摩擦力的影响,在砝码盘中慢慢加入沙子,直到小车开始运动。同学甲认为此时摩擦力的影响已得到消除。同学乙认为还应从盘中取出适量沙子,直至轻推小车观察到小车做匀速运动。看法正确的同学是______________(选填“甲”或“乙”)。(3)消除摩擦力的影响后,在砝码盘中加入砝码。接通打点计时器电源,松开小车,小车运动。纸带被打出一系列点,其中的一段如图2所示。图中纸带按实际尺寸画出,纸带上A点的速度vA=____________m/s。(4)测出小车的质量为M,再测出纸带上起点到A点的距离为L。小车动能的变化量可用ΔEk=算出。砝码盘中砝码的质量为m,重力加速度为g;实验中,小车的质量应__________(选填“远大于”“远小于”或“接近”)砝码、砝码盘和沙子的总质量,小车所受合力做的功可用W=mgL算出。多次测量,若W与ΔEk均基本相等则验证了动能定理。2A1Mv2【解析】(1)电磁打点计时器振针打点时和纸带接触,影响纸带的运动而产生阻力,电火花打点计时器是火花放电在纸带上留下点迹的,阻力较小,故选B。(2)在砝码盘中慢慢加入沙子直到小车开始运动时,小车是从静止开始加速运动的,拉力大于摩擦力,同学乙认为从盘中取出适量的沙子,直至轻推小车观察到小车做匀速运动,此时砝码盘通过细线对小车的拉力等于摩擦力,故此种做法是正确的,应选乙。(3)由题图2可知,与A点相邻两点间的距离约为1.24cm,打点时间间隔为0.04s,所以速度为v==0.31m/s。(4)对小车由牛顿第二定律有:T=Ma,对砝码盘由牛顿第二定律有:mg-T=ma,联立解得:T=,当M≫m时有:T≈mg,所以应满足:M≫m。stMmgmgmmM1M答案:(1)B(2)乙(3)0.31(0.30～0.33都算对)(4)远大于【补偿训练】1.如图所示的装置,可用于探究恒力做功与速度变化的关系。水平轨道上安装两个光电门,小车上固定有力传感器和挡光板,细线一端与力传感器连接,另一端跨过定滑轮挂上砝码盘。实验首先保持轨道水平,通过调整砝码盘里砝码的质量让小车做匀速运动以实现平衡摩擦力,再进行后面的操作,并在实验中获得以下测量数据:小车、力传感器和挡光板的总质量M,平衡摩擦力时砝码和砝码盘的总质量m0,挡光板的宽度d,光电门1和2的中心距离s。某次实验过程:力传感器的读数为F,小车通过光电门1和2的挡光时间分别为t1、t2(小车通过光电门2后,砝码盘才落地),砝码盘和砝码的质量为m,已知重力加速度为g,则对该小车,实验要验证的表达式是______2221220212202122211d1dA.mgsM()M()2t2t1d1dB.mmgsM()M()2t2t1d1dC.FmgsM()M()2t2t1d1dD.FsM()M()2t2t【解析】由于光电门的宽度d很小,所以我们用很短时间内的平均速度代替瞬时速度。小车通过光电门1时速度为v1=小车通过光电门2时速度为v2=根据功能关系需要验证的关系式为1dt2dt(F-m0g)s=即:(F-m0g)s=。故选C。答案:C222111MvMv2222211d1dM()M()2t2t2.(2019·东城高一检测)某实验小组采用如图所示的装置探究功与速度变化的关系,图中小车中可放置砝码,实验中,打点计时器的工作频率为50Hz。(1)实验的部分步骤如下:①在小车中放入砝码,把纸带穿过打点计时器,连在小车后端,用细线连接小车和钩码;②将小车停在打点计时器附近,________,_________,小车拖动纸带,打点计时器在纸带上打下一系列点,_______________;③改变钩码或小车中砝码的数量,更换纸带,重复②的操作。(2)下图是钩码质量为0.03kg、砝码质量为0.02kg时得到的一条纸带,在纸带上选择起始点O及A、B、C、D、E计数点,可获得各计数点到O的距离x及对应时刻小车的瞬时速度v,请将C点的测量结果填在表中的相应位置。纸带的测量结果测量点x/cmv/(m·s-1)O00.35A1.510.40B3.200.45CD7.150.53E9.410.60(3)本实验,若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,应采取的两项措施是:①_____________________________________;②_____________________________________。【解析】(1)将小车停在打点计时器附近后,需先接通电源,再释放小车,让其拖动纸带,待打点计时器在纸带上打下一系列点后,关闭打点计时器电源。(2)在验证C点时,由题图可知,C点与刻度尺上的6.18cm(6.16～6.20cm均可)对齐,所以