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2018-2019学年高中物理人教版必修二 第七章 6 实验:探究功与速度变化的关系

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第七章  机械能守恒定律
6  实验:探究功与速度变化的关系
[学习目标]
1.通过实验探究力对物体做的功与物体速度变化的关系.
2.学习利用图象法探究功与物体速度变化的关系.
内容索引


    技能储备                             题型演练                              达标检测
 明确原理    提炼方法                      学以致用    实训演练                     检测评价    达标过关
技能储备
一、方案一      借助恒力做功探究功与速度变化的关系

1.原理
由钩码通过滑轮牵引小车,当小车的质
量比钩码质量大得多时,可以把钩码所
受的  重力   当作小车受到的牵引力.如图1
所示.                                         图1
改变钩码的    质量   或者改变小车运动的        距离  ,也就改变了牵引力做的功,
从而探究牵引力做的功与小车获得的速度间的关系.
2.实验步骤
(1)按图所示安装好实验器材.
(2)平衡摩擦力:将安装有打点计时器的长木板的一端垫高,让纸带穿过打
点计时器连在小车后端,          不挂  (填“不挂”或“挂上”)钩码,接通电源,
轻推小车,直到打点计时器在纸带上打出               间隔均匀    的点为止.
(3)在小车中放入砝码,把纸带穿过打点计时器,连在小车后端,用细线绕
过滑轮连接小车和钩码.
(4)将小车停在打点计时器附近,先           接通电源,再     释放小车,小车运动一段
时间后,关闭打点计时器电源.
(5)改变钩码的数量,更换纸带重复(4)的操作.
3.数据处理
(1)选取点迹清晰的纸带,选纸带上第一个点及距离第一个点较远的点,并
依次标上0、1、2、3….
(2)测出0到点1、点2、点3…的距离,即对应的小车的位移x                、x  、x …,利
         xn+1-xn-1                            1  2  3
                2T           
用公式vn=           求出点1、点2、点3…对应的瞬时速度v1、v2、v3….
                                    Gx
(3)确定此纸带所挂的钩码的重力G,利用Wn=               n,分别求出小车的位移为

x1、x2、x3…时牵引力所做的功W1、W2、W3….
(4)先对测量数据进行估算,或作W-v草图,大致判断两个量可能的关系,
如果认为是W∝v2(或其他),然后以W为纵坐标,v2(或其他)为横坐标作图,
从而判定结论.
4.注意事项
(1)平衡摩擦力时,不挂钩码,轻推小车后,小车能做匀速直线运动.
(2)为保证钩码的重力近似等于小车受到的牵引力,应使钩码的质量远
小于小车的质量.
(3)计算牵引力做功时,可以不必算出具体数值,只用位移的数值与符
号G的乘积表示即可.
二、方案二     借助橡皮筋做功探究功与速度变化的关系

1.原理
使小车在橡皮筋的作用下弹出,如图2所示.
改变橡皮筋的条数(用n表示条数),
橡皮筋对小车做的功分别是一条橡
皮筋做功时的     n倍  ,测出小车被弹
出后的速度,能够找到橡皮筋对小
车做的功与小车速度的关系.                            图2
2.实验步骤
(1)按图所示安装实验器材.
(2)平衡摩擦力.
(3)第一次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,设此时橡皮筋弹力对小车做的功为W,并将测得的数据记入表格.
(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,测出v2、v3、v4…,橡皮筋对小车做功分别为2W、3W、
4W…,将数据记入表格.
3.数据处理
(1)速度数值的获得:实验获得的是如图3所示的纸带,为探究橡皮筋弹
力做功与小车速度变化的关系,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
                                                 x
                                                   
间隔均匀的点A1、A3间的距离x,小车此时速度的表达式为v=2T,其中T
是打点计时器的打点周期.


                           图3
(2)计算橡皮筋弹力对小车做的功分别
                                    W
为 W 、 2W 、 3W… 时 对 应 的 v 、 v2 、       W  2W  3W  4W  5W
                                 vn
v3、 v …的数值,填入表格.
                                   v
(3)逐一与W的一组数值对照,判断W
                                  v2
与v、v2、v3、   v …的可能关系或尝试
                                  v3
着分别画出W与v、W与v2、W与v3、W               v 
与  v …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.
4.注意事项
(1)实验时选择粗细、形状、长度、材料完全相同的橡皮筋.
(2)每次实验时都让小车从同一位置由静止释放,即保证每次实验中橡皮
筋拉伸的长度都保持一致.
(3)实验中不必算出功的具体数值,只要测出以后各次实验时做的功是第
一次实验时的多少倍即可.
(4)平衡摩擦力时,不要拴橡皮筋,但应连着纸带且接通电源.
(5)打出的纸带上的点间距并不都是均匀的,应选取点间距均匀的部分来
求小车的速度.
题型演练
            一、借助恒力做功探究功与速度变化的关系

例1   如图4所示,用质量为m的重物通
过滑轮牵引小车,使它在长木板上运
动,打点计时器在纸带上记录小车的
运动情况.利用该装置可以完成“探究
做功与物体速度变化的关系”的实验.                          图4
(1)打点计时器使用的电源是_____(填选项前的字母).
A.直流电源                   B√.交流电源


                                                       答案
 (2)实验中,需要平衡摩擦力和其他阻力,正确操作方法是____(填选项
 前的字母).
√A.把长木板右端垫高
 B.改变小车的质量
 在不挂重物且____(填选项前的字母)的情况下,轻推一下小车,若小车
 拖着纸带做匀速运动,表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响.
 A.打点计时器不打点
√B.打点计时器打点

                                                       答案
 (3)接通电源,释放小车,打点计时器在纸带上打下一系列点,将打下的
 第一个点标为O.在纸带上依次取A、B、C…若干个计数点,已知相邻计

 数点间的时间间隔为T.测得A、B、C…各点到O点的距离分别为x1、x2、

 x3…,如图5所示.


                            图5

 实验中,重物质量_____小车质量,可认为小车所受的拉力大小为mg.
√A.远小于             B.远大于       C.等于
                                                        答案
(4)从打O点到打B点的过程中,拉力对小车做的功W=_______mgx2           ,打B点时
             x3-x1
               2T    
小车的速度v=________.


                                                       答案
            二、借助橡皮筋做功探究功与速度变化的关系

例2   某学习小组做“探究功与速度变化的关系”的实验装置如图6所示,
图中小车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、…完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3
次、…实验时(每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致),每次实验中小
车获得的速度根据打点计时器所打在
纸带上的点进行计算.
(1)除了图中已有的实验器材外,还需
要导线、开关、刻度尺和______(交流      选填

“交流”或“直流”)电源.                              图6

解析   打点计时器使用的是交流电源.                               解析    答案
(2)实验中,小车会受到摩擦阻力的作用,可以使木板适当倾斜来平衡摩擦
阻力,则下面操作正确的是
A.放开小车,能够自由下滑即可
B.放开小车,能够匀速下滑即可
C.放开拖着纸带的小车,能够自由下滑即可
√D.放开拖着纸带的小车,能够匀速下滑即可
解析    平衡摩擦力时,应将纸带穿过打点计时器系在小车上,放开拖着纸
带的小车,小车以及纸带与打点计时器之间的摩擦力和小车的重力沿木板
方向的分力平衡,故D正确.
                                                  解析    答案
(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.小车在两个铁钉的连线处
D.小车已过两个铁钉的连线

解析    木板水平放置,未平衡摩擦力.放开小车后,小车做加速运动,当
橡皮筋的拉力大小等于摩擦力大小时,小车的速度最大,此时橡皮筋仍处
于伸长状态,小车在两个铁钉连线的左侧,尚未到两个铁钉的连线处,故
B正确.
                                                  解析    答案
(4)在操作正确的情况下,打在纸带上的点并不都是均匀的,为了测量小车
获得的速度,应选用图7纸带的______(G~J       填“A~G”或“G~J”)部分进行
测量.


                            图7

解析    从纸带上看,纸带的G~J段打点比较均匀,所以应选用纸带的G~
J段进行测量.


                                                  解析    答案
例3   在做“探究功与物体速度变化的关
                                           -1   2  2 -2
系”的实验时,小车的质量为m,使用橡                  W  v(m·s ) v /(m ·s )

皮筋6根,每次增加一根,实验中W、v、                 0     0        0
 2
v 的数据已填在表格中.                        1    0.80     0.64
(1)试在图8甲、乙中作出相应关系图象.                2    1.10     1.21
                                    3    1.28     1.64
                                    4    1.53     2.34
                                    5    1.76     3.10
             图8                     6    1.89     3.57
答案   见解析图
                                                 解析    答案
(2)从图象可以得出的实验结论是________W∝v2    .

解析   从图(b)看出W∝v2.


                                                解析    答案
达标检测
1.(借助橡皮筋做功探究功与速度变化的关系)
小王同学做“探究合力做功与物体速度变化
关系”的实验装置如图9甲所示,小车在橡皮
筋作用下弹出,沿木板滑行.先平衡摩擦力,
用1条橡皮筋对小车做的功记为W,当用2条、
3条…实验时,每次实验中橡皮筋伸长的长度
都保持一致.实验中小车获得的速度由打点计
时器所打的纸带测出.
(1)在实验准备过程,      小王整理了一些实验                    图9
器材如图乙所示,还缺少的器材是(3个)___________________低压交流电源、刻度尺、导线_________;

                   1  2 3                               答案
(2)用一条纸带穿过打点计时器,该同学发现有图10中的两种穿法,感到
有点犹豫.你认为____(B   选填“A”或“B”)的穿法更合理;


                          图10


                  1  2 3                               答案
(3)该同学在实验过程中,①应平衡摩擦力;②应选长短、粗细一样的橡
皮筋若干;③每次实验都让小车从同一地点由静止释放.以上操作对“实
验中每条橡皮筋做相同的功”这一要求有帮助的是______(②③              填序号).


                  1  2 3                               答案
2.(借助恒力做功探究功与速度的关系)某实
验小组采用如图11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50           Hz.
(1)实验的部分步骤如下:                                图11
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,___________先接通电源      ,____________再释放小车 ,小车拖动
纸带,打点计时器在纸带上打下一系列点,_________关闭打点计时器电源__________;
③改变钩码或小车中砝码的数量,更换纸带,重复②的操作.
                   1  2 3                         解析    答案
(2)图12是钩码质量为0.03     kg、砝码质             纸带的测量结果
量为0.02  kg时得到的一条纸带,在纸
                                 测量点       x/cm   v/(m·s-1)
带上选择起始点O及A、B、C、D、E
                                   O        0       0.35
计数点,可获得各计数点到O的距离x
                                   A       1.50     0.40
及对应时刻小车的瞬时速度v,请将C
                                   B       3.20     0.45
点的测量结果填在表中的相应位置.
                                        5.18(5.16~
                                   C
                                        5.20均可)     0.49
                                   D       7.15     0.53
             图12                   E       9.41     0.60

                   1  2 3                         解析    答案
(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____________平衡摩擦力 ;
②__________令钩码的重力远小于小车及砝码的总___________________________重力 .

解析    平衡摩擦力后,线上的拉力就等于小车受到的合外力.当钩码的重
力远小于小车及砝码的总重力时,线上的拉力就近似等于钩码的重力.


                  1  2 3                         解析    答案
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