高中物理 第7章 机械能守恒定律 第6节 实验：探究功与速度变化的关系课件 新人教版必修2

第第6节实验：探究功与速度变化的关系节实验：探究功与速度变化的关系阅读教材第阅读教材第6971页页，知道此实验的原理、实验器材、实知道此实验的原理、实验器材、实验步骤、数据处理、误差分析及实验应注意的事项。验步骤、数据处理、误差分析及实验应注意的事项。实验目的实验目的1.通过实验探究力对物体做功与物体速度变化的关系。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。经历探究过程，体会科学方法。实验原理实验原理1.功的确定功的确定：让橡皮筋拉动小车做功使小车的速度增加，使拉：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小车的橡皮筋的条数由1条变为条变为2条、条、3条条则橡皮筋对小则橡皮筋对小车做的功为车做的功为W、2W、3W2.速度的计算速度的计算：通过对打点计时器所打纸带的测量计算：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。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。出功与速度变化的关系。实验器材实验器材木板、橡皮筋木板、橡皮筋(若干若干)、小车、电火花打点计时器、小车、电火花打点计时器(或电或电磁打点计时器、复写纸、学生电源磁打点计时器、复写纸、学生电源)、交流电源交流电源、纸带、纸带、刻度尺等。刻度尺等。实验过程实验过程1.实验步骤实验步骤(1)按如图按如图1所示安装好实验仪器。所示安装好实验仪器。图图1(2)平衡摩擦力：将安装有平衡摩擦力：将安装有_的长木板的一端垫高，的长木板的一端垫高，纸带穿过打点计时器并接在小车后面，不挂橡皮筋，接通电纸带穿过打点计时器并接在小车后面，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源，轻推小车，直至打点计时器在纸带上打出间隔_的点。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。小车的运动情况。(4)换用换用2条、条、3条、条、4条条同样的橡皮筋做实验，并使橡皮筋同样的橡皮筋做实验，并使橡皮筋拉伸的长度都和拉伸的长度都和_相同，用打点计时器和纸带记录小车相同，用打点计时器和纸带记录小车的运动情况。的运动情况。打点计时器打点计时器均匀均匀第一次第一次2.数据处理数据处理(1)求小车的最终速度：如图求小车的最终速度：如图2所示，测出纸带上点迹均匀所示，测出纸带上点迹均匀的两点如的两点如A1、A3间的距离间的距离x，则小车的速度为，则小车的速度为v _。图图2WvnW2W3W4W5Wvv2v3直线直线误差分析误差分析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。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。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。来误差。4.作图描点不准带来误差。作图描点不准带来误差。注意事项注意事项1.平衡摩擦力的方法：将木板一端垫高，轻推小车让其拖动纸平衡摩擦力的方法：将木板一端垫高，轻推小车让其拖动纸带运动，根据打点计时器打在纸带上的点迹是否带运动，根据打点计时器打在纸带上的点迹是否_来判来判断是否平衡好了摩擦力。断是否平衡好了摩擦力。2.测小车速度时，纸带上的点迹应选测小车速度时，纸带上的点迹应选_部分的，也就是部分的，也就是选小车做选小车做_运动时打的点迹。运动时打的点迹。3.每次释放小车时，都要确保让它从每次释放小车时，都要确保让它从_由由_开始开始运动。运动。4.所选橡皮筋的所选橡皮筋的_应一样，力对小车做的功以一条橡皮筋应一样，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。做的功为单位即可，不必计算出具体数值。均匀均匀均匀均匀匀速匀速同一位置同一位置静止静止规格规格实验原理及操作实验原理及操作精典示例精典示例例例1(2017武汉高一检测武汉高一检测)某学习小组做探某学习小组做探究究“合力的功和物体速度变化关系合力的功和物体速度变化关系”的实的实验，图验，图3中小车是在一条橡皮筋作用下弹中小车是在一条橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行，这时，橡皮筋对小车做出，沿木板滑行，这时，橡皮筋对小车做的功记为的功记为W。当用。当用2条、条、3条条完全相同完全相同的橡皮筋并在一起进行第的橡皮筋并在一起进行第2次、第次、第3次次实验时，使每次实验中橡皮筋伸长的长度实验时，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都保持一致。每次实验中小车获得的速度由打点计时器打出的纸带测出。由打点计时器打出的纸带测出。图图3(1)除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、刻度尺和刻度尺和_(选填选填“交流交流”或或“直流直流”)电源。电源。(2)实验中，小车会受到摩擦力的作用，可以使木板实验中，小车会受到摩擦力的作用，可以使木板适当倾斜来平衡摩擦力，则下列操作正确的是适当倾斜来平衡摩擦力，则下列操作正确的是()A.放开小车，能够自由下滑即可放开小车，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，能够匀速下滑即可放开拖着纸带的小车，能够匀速下滑即可(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位置，下列说法度最大时，关于橡皮筋所处的状态与小车所在位置，下列说法正确的是正确的是()A.橡皮筋处于原长状态橡皮筋处于原长状态B.橡皮筋仍处于伸长状态橡皮筋仍处于伸长状态C.小车在两个铁钉的连线处小车在两个铁钉的连线处D.小车已过两个铁钉的连线小车已过两个铁钉的连线解析解析(1)打点计时器使用的是交流电源。打点计时器使用的是交流电源。(2)平衡摩擦力的目的是让拖着纸带的小车沿木板匀速下滑平衡摩擦力的目的是让拖着纸带的小车沿木板匀速下滑，即即使小车的重力沿木板向下的分力与摩擦力相抵消。使小车的重力沿木板向下的分力与摩擦力相抵消。(3)因为木板水平放置因为木板水平放置，故摩擦力没有被平衡掉故摩擦力没有被平衡掉，当小车速度最当小车速度最大时大时，F弹弹f，故橡皮筋有弹力故橡皮筋有弹力，处于伸长状态。处于伸长状态。答案答案(1)交流交流(2)D(3)B实验数据处理实验数据处理精典示例精典示例例例2(2017临沂高一检测临沂高一检测)在做在做“探究功与物体速度变化的关探究功与物体速度变化的关系系”的实验时，小车的质量为的实验时，小车的质量为m，橡皮筋，橡皮筋6根，每次增加一根，每次增加一根，实验中根，实验中W、v、v2的数据已填在下面表格中。的数据已填在下面表格中。W/W0v/(ms1)v2/(m2s2)0001.000.800.642.001.101.213.001.281.644.001.532.345.001.763.106.001.893.57(1)试在图中作出图象。试在图中作出图象。图图4(2)从图象可以得出的实验结论是从图象可以得出的实验结论是_。解析解析(1)将表中的数据分别描在题图甲、乙所示的两个坐标将表中的数据分别描在题图甲、乙所示的两个坐标系中系中，然后在图甲中用平滑曲线连接然后在图甲中用平滑曲线连接，在图乙中用倾斜直线在图乙中用倾斜直线连接连接，并且使尽可能多的点分布在曲线上或对称分布在直线并且使尽可能多的点分布在曲线上或对称分布在直线两侧两侧，如图所示。，如图所示。(2)从从W-v2图象可看出图象可看出Wv2。答案答案(1)见解析图见解析图(2)Wv21.(多选多选)关于关于“探究恒力做功与动能变化探究恒力做功与动能变化”的实验，下列说法的实验，下列说法中正确的是中正确的是()A.应调节定滑轮的高度使细绳与木板平行应调节定滑轮的高度使细绳与木板平行B.应调节定滑轮的高度使细绳保持水平应调节定滑轮的高度使细绳保持水平C.平衡摩擦力时，若纸带上打出的点越来越密，就应调大平衡摩擦力时，若纸带上打出的点越来越密，就应调大斜面倾角斜面倾角D.平衡摩擦力时，若纸带上打出的点越来越疏，就应调大平衡摩擦力时，若纸带上打出的点越来越疏，就应调大斜面倾角斜面倾角答案答案AC2.(多选多选)(2017潍坊高一检测潍坊高一检测)某同学通过数根相同的橡皮条和某同学通过数根相同的橡皮条和打点计时器，来探究橡皮条做功与小车获得速度之间的关打点计时器，来探究橡皮条做功与小车获得速度之间的关系，得到表中数据。则下列说法正确的是系，得到表中数据。则下列说法正确的是()abc橡皮条根数橡皮条根数速度速度速度的平方速度的平方11.001.0021.411.9931.732.9942.004.00A.利用改变橡皮条的根数来改变做功的大小，使做功数值利用改变橡皮条的根数来改变做功的大小，使做功数值成倍增加成倍增加B.每次改变橡皮条的根数，不需要将小车拉到相同的位置每次改变橡皮条的根数，不需要将小车拉到相同的位置释放释放C.从表格从表格a列和列和b列对比，可判断橡皮条做功与小车速度成列对比，可判断橡皮条做功与小车速度成正比正比D.从表格从表格a列和列和c列对比，可判断橡皮条做功与小车速度平列对比，可判断橡皮条做功与小车速度平方成正比方成正比答案答案AD3.某实验小组的同学采用如图某实验小组的同学采用如图5甲所示的装置甲所示的装置(实验中，小车碰实验中，小车碰到制动装置时，钩码尚未到达地面到制动装置时，钩码尚未到达地面)用打点计时器得到一条用打点计时器得到一条纸带后，通过分析小车位移与速度变化的关系来研究合力对纸带后，通过分析小车位移与速度变化的关系来研究合力对小车所做的功与速度变化的关系，如图乙是实验中得到的一小车所做的功与速度变化的关系，如图乙是实验中得到的一条纸带，点条纸带，点O为纸带上的起始点，为纸带上的起始点，A、B、C是纸带上的三个是纸带上的三个连续的计数点，相邻两个计数点间均有连续的计数点，相邻两个计数点间均有4个点未画出，用刻个点未画出，用刻度尺测得度尺测得A、B、C到到O的距离如图乙所示。已知所用交流电的距离如图乙所示。已知所用交流电源的频率为源的频率为50Hz，则：，则：图图5(1)打打B点时，小车的瞬时速度点时，小车的瞬时速度vB_m/s。(结果保结果保留两位有效数字留两位有效数字)(2)(多选多选)实验中，该小组的同学画出小车位移实验中，该小组的同学画出小车位移l与速度与速度v的关系图象如图的关系图象如图6所示。根据该图线所示。根据该图线形状，某同学对形状，某同学对W与与v的关系作出的猜想，肯的关系作出的猜想，肯定不正确的是定不正确的是_。(填写选项字母代号填写选项字母代号)图图6(3)本实验中，若钩码下落高度为本实验中，若钩码下落高度为h1时合力对小车所做的功为时合力对小车所做的功为W0，则当钩码下落则当钩码下落h2时，合力对小车所做的功为时，合力对小车所做的功为_(用用h1、h2、W0表示表示)。4.(2017金昌高一检测金昌高一检测)某同学用如图某同学用如图7所示的装置探究功与物所示的装置探究功与物体速度变化的关系。体速度变化的关系。图图7(1)图中所示的电磁打点计时器，应该配备图中所示的电磁打点计时器，应该配备46V的的_(选填选填“交流交流”或或“直流直流”)电源。电源。(2)实验中为了平衡小车所受的摩擦力，可将木板的实验中为了平衡小车所受的摩擦力，可将木板的_(选填选填“左左”或或“右右”)端垫起适当的高度。端垫起适当的高度。(3)实验中通过改变橡皮筋的实验中通过改变橡皮筋的_(选填选填“长度长度”或或“条条数数”)改变功的值。改变功的值。(4)操作正确的情况下，以功操作正确的情况下，以功W为纵坐标，以为纵坐标，以_(选填选填“v”“v 2”或或“ “ ”)为横坐标作出的图线最接近一条倾斜的为横坐标作出的图线最接近一条倾斜的直线。直线。解析解析(1)根据打点计时器的构造和原理可知根据打点计时器的构造和原理可知，电磁打点计电磁打点计时器使用的是时器使用的是46V的交流电源。的交流电源。(2)由图可知由图可知，小车在橡皮筋拉力作用下向右运动小车在橡皮筋拉力作用下向右运动，为使橡为使橡皮筋做功为合力做功皮筋做功为合力做功，需要进行平衡摩擦力操作需要进行平衡摩擦力操作，即需要即需要适当垫高木板的左端。适当垫高木板的左端。(3)实验时实验时，每次保持橡皮筋的形变量一定每次保持橡皮筋的形变量一定，当有当有n根相同根相同橡皮筋并系在小车上时橡皮筋并系在小车上时，n根相同橡皮筋对小车做的功就根相同橡皮筋对小车做的功就等于系一根橡皮筋时对小车做的功的等于系一根橡皮筋时对小车做的功的n倍倍，这个设计很巧这个设计很巧妙地解决了直接去测量力和计算功的困难妙地解决了直接去测量力和计算功的困难，故实验中不需故实验中不需要测出一条橡皮筋对小车做功要测出一条橡皮筋对小车做功W的数值的数值，因此只要改变橡因此只要改变橡皮筋的条数皮筋的条数，即可改变做功的数值。即可改变做功的数值。(4)根据功能关系可知根据功能关系可知，作出作出W与与v2的关系图象的关系图象，图象为过图象为过原点的一条直线原点的一条直线，说明功与，说明功与v2成正比。成正比。答案答案(1)交流交流(2)左左(3)条数条数(4)v25.在在“探究做功与速度变化的关系探究做功与速度变化的关系”实验中，常用的两种实验实验中，常用的两种实验方案如图方案如图8所示：甲通过重物提供牵引力，小车在牵引力作所示：甲通过重物提供牵引力，小车在牵引力作用下运动，用打点计时器测量小车的速度，定量计算牵引力用下运动，用打点计时器测量小车的速度，定量计算牵引力所做的功，进而探究牵引力所做功与小车速度的关系；乙通所做的功，进而探究牵引力所做功与小车速度的关系；乙通过不同条数橡皮筋的作用下将小车弹出，用打点计时器测量过不同条数橡皮筋的作用下将小车弹出，用打点计时器测量小车的速度，进而探究橡皮筋对小车所做功与其速度的关系。小车的速度，进而探究橡皮筋对小车所做功与其速度的关系。图图8(1)(多选多选)针对这两种实验方案，以下说法正确的是针对这两种实验方案，以下说法正确的是_。A.甲可以只打一条纸带研究，而乙必须打足够多条纸带才甲可以只打一条纸带研究，而乙必须打足够多条纸带才能研究能研究B.甲中需要平衡小车运动中受到的阻力，而乙中不需要平甲中需要平衡小车运动中受到的阻力，而乙中不需要平衡阻力衡阻力C.甲中小车质量必须远大于所挂重物的质量，而乙中小车甲中小车质量必须远大于所挂重物的质量，而乙中小车质量没有特别的要求质量没有特别的要求D.乙方案中，换用乙方案中，换用2根同样的橡皮筋在同一位置释放，橡根同样的橡皮筋在同一位置释放，橡皮筋所做的功与一根橡皮筋拉至伸长量为原来皮筋所做的功与一根橡皮筋拉至伸长量为原来2倍橡皮筋倍橡皮筋所做的功是一样的所做的功是一样的(2)某同学在实验中打出的一条纸带如图某同学在实验中打出的一条纸带如图9所示，所示，0、1、27为纸带上连续打出的点，打点计时器的电源频率为为纸带上连续打出的点，打点计时器的电源频率为50Hz。根据这条纸带，可以判断他在实验中采用的方案。根据这条纸带，可以判断他在实验中采用的方案是是_(选填选填“甲甲”或或“乙乙”)，实验中小车失去外力，实验中小车失去外力后的速度为后的速度为_m/s。图图9解析解析(1)甲实验中根据打下的一条纸带甲实验中根据打下的一条纸带，运用匀变速直线运动运用匀变速直线运动的推论可求得速度的推论可求得速度，并能根据纸带测量出重物下落的距离并能根据纸带测量出重物下落的距离，即即可进行探究；在乙实验中可进行探究；在乙实验中，要改变拉力做功时，用不同条数的，要改变拉力做功时，用不同条数的橡皮筋且拉到相同的长度，这样橡皮筋对小车做的功才有倍数橡皮筋且拉到相同的长度，这样橡皮筋对小车做的功才有倍数关系，所以必须打足够多条纸带才能研究，故关系，所以必须打足够多条纸带才能研究，故A正确；在两个实正确；在两个实验中验中，小车下滑时受到重力、细线或橡皮筋的拉力、支持力和小车下滑时受到重力、细线或橡皮筋的拉力、支持力和摩擦力摩擦力，要使拉力等于合力要使拉力等于合力，则都要用重力的下滑分量来平衡则都要用重力的下滑分量来平衡摩擦力摩擦力，使得拉力的功等于合力对小车做的功使得拉力的功等于合力对小车做的功，故故B错误；在甲错误；在甲实验中实验中，要用重物的重力替代细线的拉力要用重物的重力替代细线的拉力，必须满足这个条件：必须满足这个条件：小车质量远大于所挂重物的质量；而在甲实验中小车质量远大于所挂重物的质量；而在甲实验中，小车质量没小车质量没有特别的要求有特别的要求，故故C正确；由橡皮筋伸长量越大正确；由橡皮筋伸长量越大，拉力越大拉力越大，在在乙实验中乙实验中，换用换用2根同样的橡皮筋在同一位置释放根同样的橡皮筋在同一位置释放，若橡皮筋伸若橡皮筋伸长量变为原来的长量变为原来的2倍倍，则橡皮筋做功增加则橡皮筋做功增加，大于原来的大于原来的2倍倍，故故D错误；故选错误；故选A、C。答案答案(1)AC(2)乙乙1.756.某同学利用图某同学利用图10甲探究力对物体做的功与物体速度的关系，甲探究力对物体做的功与物体速度的关系，得到了表中的数据：得到了表中的数据：实验次数实验次数12345橡皮筋条数橡皮筋条数13457小车速度小车速度v/(ms1)0.711.231.421.581.87(注：注：每条橡皮筋拉长的长度都一样每条橡皮筋拉长的长度都一样)图图10(1)由表可得出定性结论：由表可得出定性结论：_。(2)设一条橡皮筋拉长到固定长度所做功为设一条橡皮筋拉长到固定长度所做功为W0，大致画出，大致画出橡皮筋所做的功橡皮筋所做的功W与小车速度与小车速度v的图象。的图象。(画在图乙中画在图乙中)(3)由图大致可判断出由图大致可判断出W与与v的关系是的关系是_。(4)填写表中的空白部分。填写表中的空白部分。实验次数实验次数12345橡皮筋做功橡皮筋做功W0v2/(m2s2)W与与v的关系的关系解析解析每条橡皮筋拉长的长度都一样每条橡皮筋拉长的长度都一样，一条橡皮筋拉长到固一条橡皮筋拉长到固定长度所做的功为定长度所做的功为W0，则做功与拉长橡皮筋条数成正比则做功与拉长橡皮筋条数成正比，第第2、3、4、5次拉长橡皮筋做功应分别为次拉长橡皮筋做功应分别为3W0、4W0、5W0、7W0。(1)定性结论：小车获得的速度与橡皮筋做的功有关定性结论：小车获得的速度与橡皮筋做的功有关，并且做并且做功越大功越大，小车获得的速度越大。小车获得的速度越大。(2)W与与v关系的图象为抛物线关系的图象为抛物线，如图所示。如图所示。(3)Wv2。实验次数实验次数12345橡皮筋做功橡皮筋做功W03W04W05W07W0v2/(m2s2)0.501.512.022.503.50W与与v的关系的关系Wv2(4)如表。如表。答案答案见解析见解析