2018版浙江省高考物理教师文档讲义：第五章实验七-探究做功与物体速度变化的关系(学考)（9页）

2018版浙江省高考物理教师文档讲义：第五章实验七-探究做功与物体速度变化的关系(学考)（9页）

实验七　探究做功与物体速度变化的关系(学考)‎ ‎[考纲解读]　(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)体会探究的过程和所用的方法。‎ 实验原理 为了探究功与速度变化的关系，需要测量功和初、末两个状态的速度。在方案一中，功的大小等于小车所受的合力与小车位移的乘积，当悬挂重物的质量远小于小车质量及小车所受的阻力已被平衡时，功的大小约等于重物重力与小车位移的乘积。在方案二中，不需要测量功的具体数值，分别用1根、2根、3根…相同的橡皮筋时，橡皮筋对小车做功的大小分别是W、2W、3W…。这两种方案中，小车获得的速度都可利用打点计时器测量，然后通过图象法找出功与速度变化的关系。‎ 实验器材 方案一：重物(小盘中放砝码或砂桶中盛砂)、打点计时器、小车、纸带、复写纸、电源、导线、刻度尺、一端带有滑轮的长木板、带小钩的细线等。‎ 方案二：橡皮筋若干根(材质、长短、粗细均相同)、打点计时器、小车、纸带、复写纸、电源、导线、刻度尺、木板、铁钉等。‎ 实验步骤 方案一：‎ ‎(1)用天平测出重物的质量m(m≪M车)，将数据记录在表中。‎ ‎(2)将打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端，纸带的一端夹在小车后端，另一端穿过打点计时器。将长木板安装有打点计时器的一端适当垫高，调整高度，直至轻推小车后，恰能使小车在木板上做匀速运动为止。‎ ‎(3)在小车前系好细线并通过滑轮挂上重物。将小车置于靠近打点计时器处。接通打点计时器电源，释放小车。‎ ‎(4)改变重物质量，重做上述实验。‎ ‎(5)如图所示，将纸带上的第一个点记为计数点O，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O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，将实验数据记录在表中。‎ ‎(6)将计算得到的功W记录在表格中。‎ ‎(7)根据记录的W、v数据，在坐标纸上作出合适的图象。两次实验可以在同一坐标系中作出两条图线。‎ ‎(8)整理实验器材。‎ 方案二：‎ ‎(1)将打点计时器固定在长木板的一端，纸带的一端夹在小车后端，另一端穿过打点计时器。将长木板安装有打点计时器的一端适当垫高，调整高度，直至轻推小车后，恰能使小车在长木板上匀速运动为止。‎ ‎(2)将橡皮筋的一端固定在长木板前端的铁钉上，另一端固定在小车前端的钩子上。将小车置于靠近打点计时器处，记下小车的位置。接通打点计时器的电源，释放小车。‎ ‎(3)用2根、3根、4根、5根相同的橡皮筋分别代替1根橡皮筋重做实验，保证每次释放小车的位置相同，即橡皮筋被拉长的长度相同。‎ ‎(4)在上述实验中打出的5条纸带上分别找出小车近似做匀速运动的点，并分别求出匀速运动时的速度v，将实验数据记录在表中。‎ ‎(5)根据记录的W、v数据，在坐标纸上作出合适的图象。‎ ‎(6)整理实验器材。‎ 考点一　实验原理和操作 ‎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，我们研究的是小车合外力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，观察到小车不受其他力时能在木板上匀速运动，即表明摩擦力已平衡。‎ ‎2．在方案二中，我们用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．在方案二中，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。‎ ‎1．在用如图所示的装置做“探究功与速度变化的关系”的实验时，下列说法正确的是________。‎ A．为了平衡摩擦力，实验中可以将长木板的左端适当垫高，使小车拉着穿过打点计时器的纸带自由下滑时能保持匀速运动 B．为简便起见，每次实验中橡皮筋的规格要相同，拉伸的长度要一样 C．可以通过改变橡皮筋的条数来改变拉力做功的数值 D．可以通过改变小车的质量来改变拉力做功的数值 E．实验中要先释放小车再接通打点计时器的电源 F．通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的最大速度 G．通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的平均速度 解析　左端垫高利用小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦力平衡来满足橡皮筋做功是合力功。‎ 实验中要求橡皮筋规格相同，拉伸长度相同即每个橡皮筋做功相等，所以只要通过改变条数就可以改变做功的数值，利用打点计时器时应该先接通电源再释放纸带。当橡皮筋松弛时，即加速结束时，小车做匀速运动，此时速度即为小车获得的最大速度。‎ 答案　ABCF ‎2．某同学把附有滑轮的长木板平放在实验桌上，将细绳一端拴在小车上，另一端绕过定滑轮，挂上适当的钩码，使小车在钩码的牵引下运动，以此定量探究绳拉力做功与小车动能变化的关系。此外还准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸、纸带、小木块等。组装的实验装置如图所示。‎ ‎①若要完成该实验，必需的实验器材还有_____________________________‎ ‎________________________。‎ ‎②实验开始时，他先调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的细绳与木板平行。他这样做的目的是下列的哪个________(填字母代号)。‎ A．避免小车在运动过程中发生抖动 B．可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰 C．可以保证小车最终能够实现匀速直线运动 D．可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力 ‎③平衡摩擦力后，当他用多个钩码牵引小车时，发现小车运动过快，致使打出的纸带上点数较少，难以选到合适的点计算小车速度。在保证所挂钩码数目不变的条件下，请你利用本实验的器材提出一个解决方法：_____________________‎ ‎___________________________________________________________________。‎ ‎④他将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功，经多次实验发现拉力做功总是要比小车动能增量大一些。这一情况可能是下列哪些原因造成的________(填字母代号)。‎ A．在接通电源的同时释放了小车 B．小车释放时离打点计时器太近 C．阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平衡掉 D．钩码做匀加速运动，钩码重力大于细绳拉力 解析　①根据实验原理可知，需要验证mgx＝Mv2‎ ‎，同时根据运动学规律可知，此实验中需要测量钩码质量、小车质量和位移，故还需要的器材有：刻度尺和天平；②分析小车受力可知，在平衡摩擦力的基础上，使细绳与木板平行是为了让细绳的拉力充当小车所受合外力，故选项D正确；③纸带上打出的点较少，说明小车的加速度过大(即小车过快)，故可知减小钩码质量或增加小车质量(在小车上加上适量的砝码)；④在此实验中，根据牛顿第二定律可知，钩码的重力大于细绳的拉力，而实验中用重力代替拉力会导致拉力做功大于小车动能增量；如果实验未平衡或未完全平衡摩擦力也会导致拉力做功大于动能增量，故选项C、D正确。‎ 答案　①刻度尺、天平(包括砝码)　②D　③可在小车上加适量的砝码(或钩码)　④CD 考点二　实验数据处理 方案一：‎ ‎(1)如图所示，将纸带上的第一个点记为计数点O，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O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。‎ ‎(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象。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，作出图象。用W－v2图象处理实验数据，比W－v图象更加直观、明了。‎ ‎(1)平衡摩擦力不彻底或平衡过度也会造成误差。‎ ‎(2)橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋的拉力做的功与橡皮筋的条数不成正比。‎ ‎(3)利用打上点的纸带计算小车的速度时，测量不准带来误差。‎ ‎1．“探究功与速度变化的关系”的实验装置如图甲所示，当小车在一条橡皮筋作用下弹出时，橡皮筋对小车做的功记为W；当用2条、3条、4条……完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、第4次……实验时，橡皮筋对小车做的功记为2W、3W、4W……每次实验中小车获得的最大速度可由打点计时器所打出的纸带测出。‎ 甲 ‎(1)关于该实验，下列说法正确的是________。‎ A．打点计时器可以用干电池供电 B．实验仪器安装时，可以不平衡摩擦力 C．每次实验小车必须从同一位置由静止弹出 D．利用每次测出的小车最大速度vm和橡皮筋做的功W，依次作出W－vm、W－v、W－v，W2－vm、W3－vm……的图象，得出合力做功与物体速度变化的关系。‎ ‎(2)如图乙所示，给出了某次实验打出的纸带，从中截取了测量小车最大速度所用的一段纸带，测得A、B、C、D、E相邻两点间的距离分别为AB＝1.48 cm，BC＝1.60 cm，CD＝1.62 cm，DE＝1.62 cm；已知相邻两点打点时间间隔为0.02 s，则小车获得的最大速度vm＝________m/s。(结果保留两位有效数字)‎ 乙 解析　(1)打点计时器必须用交流电，A项错误；实验仪器安装时，必须平衡摩擦力，B项错误；每次实验小车必须从同一位置由静止弹出，C项正确；根据所得数据分别作出橡皮筋所做的功W与小车获得的最大速度或小车获得的最大速度的平方、立方等图象，找出合力做的功与物体速度变化的关系，D项正确。‎ ‎(2)小车获得的最大速度v＝＝ m/s＝0.81 m/s。‎ 答案　(1)CD　(2)0.81‎ ‎2．如图所示是某研究性学习小组的同学做探究“橡皮筋做功和物体速度变化的关系”的实验，图中是小车在一条橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行的情形。这时，橡皮筋对小车做功记为W。当用2条、3条、…、n条完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、…、第n次实验时，每次橡皮筋都被拉伸到同一位置释放。小车每次实验中获得的速度可以由打点计时器所打的纸带测出，图甲为某次实验中打出的纸带。‎ ‎(1)除了图中已给出的实验器材和电源外，还需要的器材有________。‎ ‎(2)实验时为了使小车只在橡皮筋作用下运动，应采取的措施是______________‎ ‎___________________________________________________________________。‎ ‎(3)每次实验得到的纸带上的点分布并不都是均匀的，为了测量小车最终获得的末速度，应选用纸带的________________部分进行测量。‎ ‎(4)下面是本实验的数据记录及数据处理表。‎ 橡皮筋 做的功Wn(J)‎ ‎10个间隔 均匀的点的 距离s(m)‎ ‎10个间隔 均匀的点的 时间T(s)‎ 小车获得 的末速度 vn(m/s)‎ 小车获得的 末速度的平 方v(m2/s2)‎ ‎1‎ W1＝W ‎0.200‎ ‎0.2‎ ‎1.00‎ ‎1.00‎ ‎2‎ W1＝2W ‎0.282‎ ‎0.2‎ ‎1.41‎ ‎1.99‎ ‎3‎ W3＝3W ‎0.300‎ ‎0.2‎ ‎1.50‎ ‎2.25‎ ‎4‎ W4＝4W ‎0.400‎ ‎0.2‎ ‎2.00‎ ‎4.00‎ ‎5‎ W5＝5W ‎0.458‎ ‎0.2‎ ‎2.24‎ ‎5.02‎ 从理论上讲，橡皮筋做的功Wn与物体获得的速度vn之间的关系是Wn∝________，请你运用表中的数据在如图乙所示的坐标系中作出相应的图象，以验证理论的正确性。‎ 解析　(1)要计算某点速度的大小，必须要测量纸带上计数点间的距离，除了题图中已给出的实验器材和电源外，还需要的器材是刻度尺。‎ ‎(2)实验时为了使小车只在橡皮筋作用下运动，应采取的措施是把放打点计时器一端的木板垫起适当的高度以平衡摩擦力。‎ ‎(3)小车最终做匀速运动，因此应选用相邻两计数点间隔相等的部分。‎ ‎(4)根据动能定理可知，从理论上讲，橡皮筋做的功Wn与物体获得的速度vn之间的关系是Wn∝v；以Wn为纵坐标，以v为横坐标，用描点作图法作图，图象是过原点的直线，说明Wn∝v。‎ 答案　(1)刻度尺　(2)把木板的左端垫起适当的高度以平衡摩擦力　(3)每相邻两点之间距离相等(或点分布均匀)　(4)v　图象如图所示