1、实验5 探究功与物体速度变化的关系,一 实验目的,三 实验器材,四 实验步骤,五 实验结论,教材研读,六 误差分析,七 注意事项,二 实验原理,考点一 实验原理与实验操作,考点二 实验数据处理与误差分析,考点三 实验拓展与实验创新,考点突破,一、实验目的 通过实验探究外力对物体做功与物体速度变化的关系。 二、实验原理 探究功与速度变化的关系,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 带来测量每次实验中小车的末速度v,最后通过数据分析得出功与速度,教材研读,变化的关系。三、实验器材 橡皮筋、小车(前面带小钩)、长木板、打点计时器、学生
2、电源、纸 带、刻度尺、铁钉等。,四、实验步骤,1.垫高长木板的一端,平衡摩擦力。 2.拉伸的橡皮筋对小车做功: (1)用1条橡皮筋拉小车做功W; (2)用2条橡皮筋拉小车做功2W; (3)用3条橡皮筋拉小车做功3W。 3.测出每次做功后小车获得的速度v。 4.利用各次实验测得的v和W数据绘制W-v、W-v2、W-v3、图像,直到 明确得出W和v的关系。,五、实验结论 在误差允许的范围内,外力做的功与物体速度的平方成正比,即Wv2。 六、误差分析 1.误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一,使橡皮筋的拉力做的功 W与橡皮筋的条数不成正比。 2.没有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力时倾角过大也会造成误差
3、。 3.利用打上点的纸带计算小车的速度时,测量不准确带来误差。,七、注意事项,1.平衡摩擦力时,将木板一端垫高,使小车重力沿斜面向下的分力与摩擦 力平衡。方法是轻推小车,由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判 断小车是否匀速运动,从而找到木板一个合适的倾角。 2.测小车的速度时,应选纸带上的点均匀分布的部分。 3.橡皮筋应选规格一样的。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。 4.小车的质量应大一些,使纸带上打的点多一些。,2.用2根、3根相同的橡皮筋进行第2次、第3次实验时,每次实验时 使小车从同一地点静止释放,使橡皮筋伸长的长度都应保持一致。 3.打点计时器打出的
4、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。,例1 如图是某学习小组做探究“功和速度变化关系”的实验装置示 意图,图中小车是在一条橡皮筋作用下弹出,沿木板滑行。,(1)在“探究功与物体速度变化的关系”的实验中要求出每次拉力所做 的功,直接去测量拉力是很困难的,如下操作可行的是 。 A.每次用同样的力拉小车,让小车通过的距离依次为s、2s、3s那么 拉力每次对小车做的功就分别是W、2W、3W B.让小车通过相同的距离,第1次力为F、第2次为2F、第3次为3F 那么拉力每次对小车做的功就分别是W、2W、3W C.选用相同的橡
5、皮筋合并起来拉小车,实验时保持每次橡皮筋拉伸的长 度一致,当第1次用一根、第2次用两根、第3次用3根那么每次橡皮,筋对小车做的功就分别是W、2W、3W D.利用弹簧测力计测量对小车的拉力F,利用直尺测量小车在力作用下 移动的距离s,便可以求出每次拉力对小车所做的功,设法控制F、s,使F 的功分别为W、2W、3W (2)在正确操作情况下,打在纸带上的点并不是均匀的,如图2所示,为了 测量小车获得的速度,应选用纸带的 (选填“AE”或“FK”) 部分进行测量。,答案 (1)C (2)FK,解析 (1)橡皮筋拉小车时的作用力是变力,我们不能求变力做功问题, 但选用相同的橡皮筋,且保持伸长量都一样时,
6、若一根橡皮筋在恢复原 长时对小车做功为W,则两根伸长相同长度,做功为2W,橡皮筋根数的关 系就是做功多少的倍数,故A、B、D错误,C正确。 (2)小车先加速,后匀速;在加速过程中,橡皮筋在做正功,故需要测量最大 速度,即匀速运动时的速度,因而需要选用间隔均匀的点,即“FK”部分。,变式1 小林同学分别用下列三套实验装置A、B、C,来探究“做功与 物体速度变化关系”的实验。(1)(多选)他选用实验装置A做该实验时,下列说法正确的是 。,A.平衡阻力后,小车运动过程中受到的重力和阻力均不做功 B.通过改变橡皮筋的条数改变拉力做功的数值 C.每次都要从同一位置静止释放小车 D.需要测出小车从静止到匀
7、速时的平均速度 (2)(多选)他选用实验装置B做该实验时,下列说法正确的是 。 A.可以不测小车的质量 B.可以不平衡小车在运动过程中受到的阻力 C.可以不测小车移动的距离 D.可以不测小车移动的速度 (3)他选用实验装置C做该实验时, (选填“可以”或“不可 以”)利用v2=2gh来计算重物下降h时的速度v。,考点二 实验数据处理与误差分析,方案一: (1)如图所示,将纸带上的第一个点记为计数点0,再在纸带的后端选择连 续的5个打印点分别记为计数点1、2、3、4、5。分别测出计数点1、 2、3、4、5至计数点0的距离(即小车的位移l),并利用打上点的纸带,测 出打各计数点时小车的速度v。,(
8、2)功W的大小约等于重物重力与小车位移的乘积。 (3)根据W、v数据,在坐标纸上作出合适的图像。两次实验可以在同一 坐标系中作出两条图线。 方案二: (1)实验数据处理时,不直接计算W和v的数值,而只是看第2次、第3次 实验中的W和v是第1次的多少倍,简化数据的测量和处理。 (2)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 一次实验时做的功W为单位,作出图像。用W-v2图像处理实验数据,比W-v 图像更加直观、明了。,例2 某学习小组做探究“合力的功和物体速度变化关系”的实验如 图,图中小车是在一条橡皮筋作用下弹出,沿木板滑行,这时,橡皮筋对小 车做的功记为W。当用2条、3条
9、完全相同的橡皮筋并在一起进行 第2次、第3次实验时,使每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一 致。每次实验中小车获得的速度由打点计时器所打的纸带测出。,(1)除了图中已有的实验器材外,还需要导线、开关、交流电源和 。 (2)(多选)实验中木板略微倾斜,这样做 。 A.是为了使释放小车后,小车能匀加速下滑 B.是为了增大小车下滑的加速度 C.可使得橡皮筋做的功等于合外力对小车做的功 D.可使得橡皮筋松弛后小车做匀速运动 (3)若木板水平放置,小车在两条橡皮筋作用下运动,当小车速度最大时, 关于橡皮筋所处的状态与小车所在的位置,下列说法正确的是 。,A.橡皮筋处于原长状态 B.橡皮筋仍处于伸长状态 C
10、.小车在两个铁钉的连线处 D.小车已过两个铁钉的连线 (4)实验中先后用同样的橡皮筋1条、2条、3条,并起来挂在小车的 前端进行多次实验,每次都要把小车拉到同一位置再释放小车。把第1 次只挂1条橡皮筋对小车做的功记为W,第2次挂2条橡皮筋时橡皮筋对 小车做的功为2W,;橡皮筋对小车做功后而获得的速度可由打点计,答案 (1)刻度尺 (2)CD (3)B (4)2.00 (5)AB 解析 (1)因为需要测量纸带上两点之间的距离以便求出小车的速度, 所以需要刻度尺。 (2)小车下滑时受到重力、拉力、支持力和摩擦力,要使拉力等于合外 力,则应该用重力的下滑分力来平衡摩擦力,故可以将长木板的一端垫 高平
11、衡小车所受的摩擦力,让小车所受重力沿斜面的分力与摩擦力平 衡,即mg sin =mg cos 。这样就确保了橡皮筋松弛后小车做匀速运 动,并可使得橡皮筋做的功等于合外力对小车做的功,故C、D正确。,变式2 质量为1 kg的重物自由下落,通过打点计时器在纸带上记录下 运动的过程,打点计时器所接电源为6 V、50 Hz的交流电源。如图甲所 示,纸带上O点为重物自由下落时打点的起点,选取的计数点A、B、C、 D、E、F、G依次间隔一个点(图中未画出),各计数点与O点的距离依 次为31.4、70.6、125.4、195.9、282.1、383.8、501.2,单位为mm,重力 加速度为9.8 m/s2
12、,则,(1)求出B、C、D、E、F各点速度并填入下表。,(2)求出重物下落从起点到B、C、D、E、F各点过程中重力所做的功。,(3)适当选择坐标轴,在图乙中作出重力 做的功与速度的相关量之间的关系图。 图中纵坐标表示 ,横坐标表示,由图可得重力所做的功与成 关系。,答案 (1)1.18 1.57 1.96 2.35 2.74 (2)0.69 1.23 1.92 2.76 3.76 (3)见解析图 重力做的功WG 速度的平方v2 速度的平方v2 正比,解析 (1)各点速度由公式v= = ,求出vB= = m/s 1.18 m/s,同理vC1.57 m/s,vD1.96 m/s,vE2.35 m/
13、s,vF2.74 m/s。 (2)由重力做的功W=mgx,求出WB=mgOB=1 9.870.610-3 J0.69 J,同理WC1.23 J,WD 1.92 J,WE2.76 J,WF3.76 J。 (3)如图所示。 由图可得重力所做的功与速度的 平方v2成正比。,(2)利用该装置研究弹簧对滑块做功的大小;某同学打开气源,调节装置, 使滑块可以静止悬浮在导轨上,然后用力将滑块A压紧到P点,释放后,滑 块A上的挡光片通过光电门的时间为t,则弹簧对滑块所做的功为 。(用题中所给字母表示) (3)利用该装置测量滑块与导轨间的动摩擦因数,关闭气源,仍将滑块A由 P点释放,当光电门到P点的距离为x时,
14、测出滑块A上的挡光片通过光电 门的时间为t,移动光电门,测出多组数据(滑块都能通过光电门),并绘出x - 图像,如图丙所示,已知该图线斜率的绝对值为k,则滑块与导轨间的,动摩擦因数为 。,答案 (1)0.960 (2) m (3),解析 (1)游标卡尺的读数为d=9 mm+12 mm=9.60 mm=0.960 cm。 (2)由于光电门非常窄,所以挡光片(即滑块)通过光电门的平均速度近似,例4 某同学利用如图甲所示的装置验证动能定理。固定并调整斜槽, 使它的末端O点的切线水平,在水平地面上依次铺好木板、白纸、复写 纸。将小球从斜槽上不同的标记点由静止释放,记录小球到达斜槽底端 时下落的高度H,
15、并根据落点位置测量出小球平抛的水平位移x,改变小 球在斜槽上的释放位置,进行多次测量,记录数据如下:,(1)斜槽倾角为,小球与斜槽之间的动摩擦因数为,斜槽底端离地的高度为y,不计小球与水平槽之间的摩擦,若小球从斜槽上滑下的过程动能定理成立,则应满足的关系式是 。,(2)以H为横坐标,以 为纵坐标,在坐标纸上描点作图,如图乙所示。 (3)由第(1)(2)问可以得出结论: 。,(4)受该实验方案的启发,另一同学改用图丙所示的装置实验。他将木 板竖直放置在斜槽末端的前方某一固定位置,仍将小球从不同的标记点 由静止释放,记录小球到达斜槽底端时下落的高度H,并测量小球击中木 板时平抛下落的高度d,当他以
16、H为横坐标,以 为纵坐标,描点作 图,使之仍为一条倾斜的直线,也达到了同样的目的。,答案 (1)x2=4 yH (2)x2 (3)见解析 (4),解析 (1)小球在斜槽上运动过程中,由动能定理得mgH-mgcos = mv2;小球做平抛运动过程中,有x=vt,y= gt2,联立解得x2= 4 yH。 (2)要得到乙图中的线性关系,由x2=4 yH可知,应以H为横坐标, 以x2为纵坐标,在坐标纸上描点作图。 (3)由第(1)(2)问可以得出结论:在实验误差允许的范围内,小球运动到斜 槽底端的过程中,合力对小球所做的功等于小球动能的增量。,(4)另一同学改用图丙的装置实验,由动能定理得mgH-mg cos = mv2,由平抛运动规律得x=vt,d= gt2,联立解得 = H,故他应以 H为横坐标, 为纵坐标,描点作图,使之仍为一条倾斜的直线。,
