20172018學年同步備課套餐高一物理教科版版必修2講義第四章4課時2

課時2實驗：研究合外力做功和動能變化的關(guān)系[學習目標]1.經(jīng)過實驗研究合外力對物體做的功與物體動能變化的關(guān)系.2.學習利用圖像法研究合外力做功與物體動能變化的關(guān)系.一、原理由鉤碼經(jīng)過滑輪牽引小車，當小車的質(zhì)量比鉤碼大得多時，可以把鉤碼所受的重力看作小車遇到的牽引力.如圖1所示.圖1改變鉤碼的質(zhì)量也許改變小車運動的距離，也就改變了牽引力做的功，從而研究牽引力做的功與小車獲取的速度間的關(guān)系.二、實驗步驟1.按如圖1所示安裝好實驗儀器.2.均衡摩擦力：讓紙帶穿過打點計時器連在小車后端，不掛(填“不掛”或“掛上”)鉤碼，將安裝有打點計時器的長木板的一端墊高，直到接通電源，輕推小車后，打點計時器在紙帶上打出間隔均勻的點為止.3.在小車中放入砝碼，把紙帶穿過打點計時器，連在小車后端，用細線繞過滑輪連接小車和鉤碼.4.將小車停在打點計時器周邊，先接通電源，再開釋小車，小車運動一段時間，關(guān)閉打點計時器電源.5.改變鉤碼的數(shù)目，更換紙帶重復(4)的操作.三、數(shù)據(jù)辦理1.采納點跡清楚的紙帶，選紙帶上第一個點及距離第一個點較遠的點，并挨次標上0、1、2、3.2.測出0到點1、點2、點3的距離，即對應(yīng)的小車的位移x1、x2、x3，利用公式vn＝xn＋1－xn－12T求出點1、點2、點3對應(yīng)的剎時速度v1、v2、v3.3.確立此紙帶所掛的鉤碼的重力G，利用Wn＝Gxn，分別求出小車的位移為x1、x2、x3時牽引力所做的功W1、W2、W3.4.先對丈量數(shù)據(jù)進行估量，或作W－v草圖，大體判斷兩個量可能的關(guān)系，假如以為是2W∝v(或其余)，而后以W為縱坐標，v2(或其余)為橫坐標作圖，從而判斷結(jié)論.四、注意事項1.均衡摩擦力時，不掛鉤碼，輕推小車后，小車能做勻速直線運動.2.計算牽引力做功時，可以不用算出詳盡數(shù)值，只用位移的數(shù)值與符號G的乘積表示即可.一、實驗操作及注意事項例1某實驗小組用如圖2所示的實驗裝置和實驗器械研究合外力做功和動能變化的關(guān)系實驗，在實驗中，該小組同學把砂和砂桶的總重力看作小車遇到的合外力.圖2(1)為了保證明驗結(jié)果的偏差盡量小，在實驗操作中，下邊做法必需的是( )實驗前要對裝置進行均衡摩擦力的操作實驗操作時要先放小車，后接通電源C.在利用紙帶進行數(shù)據(jù)辦理時，所選的兩個點離得越近越好D.在實驗過程中要保證砂和砂桶的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量(2)除實驗裝置中的儀器外，還需要的丈量儀器是________.(3)如圖3所示為實驗中打出的一條紙帶，現(xiàn)采納紙帶中的A、B兩點來研究合外力做功和動能變化的關(guān)系.已知打點計時器的打點周期為T，重力加快度為g.圖中已經(jīng)標了然要丈量的物理量，別的，小車的質(zhì)量為M，砂和砂桶的總質(zhì)量為m.請你把要研究的結(jié)果用題中給出的字母表達出來____________________________________.圖3答案(1)AD(2)刻度尺、天平(3)mgx＝Mx22－x12232T分析(2)本題的實驗原理是考據(jù)砂桶做的功等于小車動能的增添量，因此要測砂桶和砂、小車的質(zhì)量，還要測紙帶上各點的距離來求速度，因此所需的器械還應(yīng)有天平易刻度尺.二、數(shù)據(jù)辦理例2某實驗小組利用拉力傳感器和速度傳感器“研究合外力做功和動能變化的關(guān)系”.如圖4所示，他們將拉力傳感器固定在小車上，用不行伸長的細線將其經(jīng)過一個定滑輪與鉤碼相連，用拉力傳感器記錄小車遇到拉力的大小.在水平桌面上相距50.0cm的A、B兩點各安裝一個速度傳感器，記錄小車經(jīng)過A、B時的速度大小.小車中可以擱置砝碼.圖4(1)實驗主要步驟以下：①丈量________和拉力傳感器的總質(zhì)量M1；把細線的一端固定在拉力傳感器上，另一端經(jīng)過定滑輪與鉤碼相連；正確連接所需電路.②將小車停在C點，接通電源，________，小車在細線拉動下運動，記錄細線拉力及小車通過A、B時的速度.③在小車中增添砝碼，重復②的操作.(2)如表所示是他們測得的一組數(shù)據(jù)，此中M是M1與小車中砝碼質(zhì)量之和，|v22－v12|是兩個速度傳感器所記錄速度的平方差，可以據(jù)此計算出動能變化量Ek，F(xiàn)是拉力傳感器遇到的拉力，W是F在A、B間所做的功.表格中的Ek3＝________，W3＝________.(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)數(shù)據(jù)記錄表次數(shù)M/kg|v22－v12|/(m/s)2Ek/JF/NW/J10.5000.7600.1900.4000.20020.5001.6500.4130.8400.42030.5002.400Ek31.220W341.0002.4001.2002.4201.21051.0002.8401.4202.8601.430(3)依據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖5中作出Ek－W圖線.圖5答案(1)①小車②而后開釋小車(3)以以下圖1.(實驗數(shù)據(jù)辦理)在“研究合外力做功和動能變化的關(guān)系”的實驗中，某同學采納如圖6甲所示裝置，小車質(zhì)量M，在均衡摩擦力以后，掛上重物m，小車拖動紙帶并打出一系列的點.圖乙中的紙帶不過打出的紙帶的一部分，所注明的點相鄰兩點的時間間隔為T.使用毫米刻度尺進行丈量后，將數(shù)據(jù)記錄在圖中.則：(重力加快度為g)圖

6(1)在該實驗裝置中繩索對小車的拉力取為

mg，則小車質(zhì)量

M與所掛重物質(zhì)量

m應(yīng)滿足什么關(guān)系

(

)A.M<m

B.M?

m(2)若小車質(zhì)量M和重物質(zhì)量m滿足(1)中條件，請用題目所給各個物理量的符號計算下邊問題：b點所對應(yīng)的小車運動的速度為________；從b點到e點，小車動能的增添量為________；從b點到e點，重物對小車做功為________.答案x1＋x2M[x4＋x52－x1＋x22]mg(x2＋x3＋x4)(1)D(2)22T8T分析(1)重物加快下滑，處于失重狀態(tài)，繩索對重物的拉力小于重物的重力，設(shè)拉力為F，依據(jù)牛頓第二定律，對重物，有mg－F＝ma對小車，有F′＝MaF＝F′解得F＝MmgM＋m故當M?m時，有F≈mg.(2)小車做勻加快直線運動，紙帶上任意一點的速度等于該點前后相鄰兩點間的均勻速度，故x1＋x2b點速度為：vb＝2T，x4＋x5e點速度為：ve＝，2T故b點所對應(yīng)的小車運動的動能為Ekb＝121x1＋x22Mx1＋x222Mvb＝2M(2T)＝8T2，e點所對應(yīng)的小車121x4＋x52Mx4＋x52運動的動能為Eke＝Mve＝M()＝2.222T8T112222M[x4＋x5－x1＋x2]從b點到e點，小車動能的增添量為Ek＝Eke－Ekb＝2Mve－2Mvb＝8T2；重物的重力近似等于繩索的拉力，依據(jù)功的定義，從b點到e點，重物對小車做功：W＝mg(x2＋x3＋x4).2.(實驗操作和數(shù)據(jù)辦理)物體在空中著落的過程中，重力做正功，物體的動能愈來愈大，為了“研究重力做功與物體動能變化間的定量關(guān)系”，我們供給了如圖7所示的實驗裝置.圖7某同學依據(jù)所學的知識聯(lián)合圖中實驗裝置設(shè)計了一個合適本實驗情形的命題：以以下圖，設(shè)質(zhì)量為m(已測定)的小鋼球在重力mg作用下從開始自由著落至光電門發(fā)生的位移為x，經(jīng)過光電門時的速度為v，嘗試究外力做的功mgx與小球動能變化量1mv2的定量關(guān)系.2(1)某同學依據(jù)上述命題進行以下操作并測出以下數(shù)據(jù).①用天平測定小球的質(zhì)量為0.50kg；②用游標卡尺測出小球的直徑為10.0mm；③用刻度尺測出電磁鐵下端到________的距離為80.40cm；④電磁鐵先通電，讓小球____________；⑤讓電磁鐵斷電，小球自由著落；⑥在小球經(jīng)過光電門時，計時裝置記下小球經(jīng)過光電門所用時間為2.50×10－3s；⑦計算得出重力做的功為4.02J，小球動能變化量為________J.(g取10m/s2，結(jié)果保留三位有效數(shù)字).(2)試依據(jù)(1)中條件作出本實驗的結(jié)論：____________________________________________________________________________________________________________________.答案(1)③光電門④吸在電磁鐵下端⑦4.00(2)在偏差同意范圍內(nèi)重力做功與物體動能變化量相等課時作業(yè)1.關(guān)于“研究合外力做功和動能變化的關(guān)系”的實驗，以下說法中正確的選項是( )應(yīng)調(diào)理定滑輪的高度使細繩與木板平行應(yīng)調(diào)理定滑輪的高度使細繩保持水平C.均衡摩擦力時，若紙帶上打出的點愈來愈密，就應(yīng)調(diào)大斜面傾角D.均衡摩擦力時，若紙帶上打出的點愈來愈疏，就應(yīng)調(diào)大斜面傾角答案AC分析其余操作正確的條件下，實驗中調(diào)整定滑輪高度，使細繩與木板平行，這樣能使細繩對小車的拉力等于小車受的合力，A對，B錯；紙帶上打出的點愈來愈密，表示小車做減速運動，摩擦力均衡不夠，這時需要墊高木板一端，使斜面傾角增大，直到打出的點均勻為止，對，D錯.2.在做“研究合外力做功和動能變化的關(guān)系”實驗時，某研究性學習小組感覺教材中實驗測量過程較復雜，改進以下：如圖1所示，將木板放在桌子的邊沿，小車的前端放一小球，小車在橡皮筋作用下做加快運動，到桌子邊沿后小車在擋板作用下停止運動，小球做平拋運動，測出橡皮筋條數(shù)為1、2、3、、n時的平拋距離x1、x2、x3、、xn，則( )圖1假如忽視全部摩擦，x∝n(n為橡皮筋條數(shù))假如忽視全部摩擦，x2∝n(n為橡皮筋條數(shù))C.該實驗中小車受的摩擦力可以經(jīng)過傾斜木板的方法均衡而不產(chǎn)生新的偏差D.該實驗中傾斜木板會產(chǎn)生偏差答案BD分析由W∝v2，x∝v，W∝n，得x2∝n，B正確.該實驗應(yīng)用了平拋原理，假如木板傾斜，則變成斜拋，將產(chǎn)生偏差，D正確.3.某學習小組做“研究合外力做功和動能變化的關(guān)系”的實驗裝置如圖2所示，圖中小車在一條橡皮筋作用下彈出，沿木板滑行，這時，橡皮筋對小車做的功為W，當用2條、3條完整同樣的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次實驗時，使每次實驗中橡皮筋伸長的長度都保持一致.每次實驗時小車獲取的速度由打點計時器所打的紙帶測出.圖2(1)除了圖中已有的實驗器械外，還需要導線、刻度尺和________(填“交流”或“直流”)電源.(2)若木板水平擱置，小車在兩條橡皮筋的作用下運動，當小車速度最大時，關(guān)于橡皮筋所處的狀態(tài)與小車所在的地點，以下說法正確的選項是( )橡皮筋處于原長狀態(tài)橡皮筋仍處于伸長狀態(tài)C.小車在兩個鐵釘?shù)倪B線處D.小車已過兩個鐵釘?shù)倪B線(3)在正確操作狀況下，獲取了如圖3所示的紙帶，打在紙帶上的點，其實不都是均勻的，為了丈量小車獲取的速度，應(yīng)采納紙帶的__________段進行丈量(用字母表示).圖3(4)下邊是本實驗的數(shù)據(jù)記錄表：物理量10個均勻10個間隔小車獲取小車速度數(shù)據(jù)橡皮筋做間隔的距的速度的平方vn2的功Wn的時間t(s)次數(shù)離xn(m)vn(m/s)22(m/s)1W0.28800.21.442.0722W0.41760.22.094.3733W0.48960.22.456.0044W0.59040.22.958.7055W0.64800.23.2410.50從理論上講，橡皮筋做的功Wn和小車速度vn的關(guān)系應(yīng)是Wn∝________.請運用表中測定的數(shù)據(jù)在圖4所示的坐標系中作出相應(yīng)的圖像，考據(jù)理論的正確性.圖4答案(1)交流(2)B(3)GK4)vn2見分析圖分析(1)打點計時器使用的是交流電源.(2)木板水平擱置時，木板對小車有摩擦力作用，當橡皮筋對小車的拉力與摩擦力均衡時，小車的速度最大，因此橡皮筋仍處于伸長狀態(tài)，故B項正確

.(3)應(yīng)采納紙帶上間隔不變的一段求速度，即

GK

段.(4)以以下圖，在偏差同意的范圍內(nèi)，圖像是一條經(jīng)過原點的直線，說明

Wn與

v2n成正比.4.質(zhì)量為1kg的重物自由著落，經(jīng)過打點計時器在紙帶上記錄運動的過程，打點計時器所接電源為6V、50Hz的交流電源.如圖5所示，紙帶上O點為重物自由著落時紙帶打點的初步點，采納的計數(shù)點A、B、C、D、E、F、G挨次間隔一個點(圖中未畫出)，紙帶上的數(shù)據(jù)表示各計數(shù)點與O點間的距離.圖5(1)求出B點對應(yīng)的速度并填入下表.計數(shù)點BCDEF速度/(m·s－1)1.571.962.352.74(2)求出重物著落時從O點到B點過程中重力所做的功，并填入下表.(g取9.8m/s2)計數(shù)點

B

C

D

E

F功/J

1.231.92

2.763.76(3)適