實驗五 探究恒力做功與動能改變的關系

實驗五探究恒力做功與動能改變的關系第一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二實驗做的功使小車獲得的速度根據打點計時器打出的紙帶得到.當得出若干組功和速度的數據后,以橡皮筋對小車做的功為縱坐標,分別以小車獲得的速度v、v2、為橫坐標,以第1次實驗時的功W為單位,用描點法分別作出W—v、W—v2、W—曲線,分析曲線,得出橡皮筋對小車做的功與小車獲得速度的定量關系.

圖1第二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二【實驗步驟】1.安裝實驗裝置:如圖1所示.2.平衡摩擦力:在長木板的有打點計時器的一端下面墊一塊木板,反復移動木板的位置,直至小車上不掛橡皮筋時,紙帶打出的點間距均勻,即小車能勻速運動為止.【實驗器材】木板、小車、橡皮筋、打點計時器及交流電源、紙帶、刻度尺等.第三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二3.把小車的另一端與一條橡皮筋的中點連接,向后拖動紙帶,并記下此時小車的位置.然后接通電源,放開小車,將得到的紙帶標號為1.4.換上新紙帶,橡皮筋分別采用兩條、三條、四條……,重復步驟3,將紙帶標號2、3、4……【處理數據】1.以橡皮筋對小車做的功為縱坐標(以第1次實驗時的功W為單位),小車獲得的速度為橫坐標,作出W—v曲線.如果W—v曲線是一條直線,表明

W∝v;如果不是直線,可考慮是否存在下列關系:

W∝v2、W∝v3、W∝……第四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二2.根據各種草圖,大致判斷兩個量可能是什么關系.如果認為很可能是W∝v2,就作出W—v2曲線,如果這條曲線是一條直線,就可以證明你的判斷是正確的.【誤差分析】1.每個橡皮筋的勁度系數不同和每次拉伸的長度不完全一致,造成橡皮筋對小車做的功不是整數倍關系引起誤差.2.不完全平衡摩擦力或平衡摩擦力過大,造成實驗中除橡皮筋的拉力做功外,還有其他力做功,并由此造成最末階段紙帶上點的間隔不均勻而引起測量速度的誤差.第五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二【注意事項】1.每次實驗中小車要拖動到同一位置.2.長木板要傾斜,使小車能在長木板上勻速運動.3.實驗中不用測小車的質量.4.實驗中測定的速度應是橡皮筋恢復形變以后小車的速度,所以應選用那些間距較大,且相對均勻的點來測量和計算.

第六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二典例剖析某探究學習小組的同學欲驗證“動能定理”,他們在實驗室組裝了一套如圖2所示的裝置,另外他們還找到了打點計時器所用的學生電源、導線、復寫紙、紙帶、小木塊、細沙,當滑塊連接上紙帶,用細線通過滑輪掛上空的小沙桶時,釋放小桶,滑塊由靜止開始運動.若你是小組中的一位成員,要完成該項實驗,則:圖2第七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二(1)你認為還需要的實驗器材有

.(2)實驗時為了保證滑塊受到的合力與沙和沙桶的總重力大小基本相等,沙和沙桶的總質量應滿足的實驗條件是

,實驗時首先要做的步驟是

.(3)在(2)的基礎上,某同學用天平稱量滑塊的質量M,往沙桶中裝入適量的細沙,用天平稱出此時沙和沙桶的總質量m,讓沙桶帶動滑塊加速運動,用打點計時器記錄其運動情況,在打點計時器打出的紙帶上取兩點,測出這兩點的間距L以及這兩點對應的滑塊速度的大小v1與v2(v1<v2).則本實驗最終要驗證的數學表達式為

.(用題中的字母表示實驗中測量得到的物理量)

第八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二思路點撥

本實驗利用小沙桶(及沙)的重力表示滑塊受到的合外力,要注意小沙桶(及沙)的重力等于滑塊受到的合外力的條件是小沙桶(及沙)的質量遠小于滑塊的質量,且不計摩擦阻力(利用平衡摩擦力的方法).滑塊的速度可以利用由打點計時器打出的紙帶進行數據處理得到.解析

(1)為了測出滑塊的質量和沙桶(及沙)的總質量需要選用天平測量.為了對紙帶進行數據處理需要選用刻度尺.(2)由于小沙桶(及沙)的重力等于滑塊受到的合外力的條件是小沙桶(及沙)的質量遠小于滑塊的質量,且不計摩擦阻力(利用平衡摩擦力的方法).所以要保證沙和沙桶的總質量遠小于滑塊的質量.實驗時首先要做的步驟是平衡摩擦力.第九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二(3)由動能定理可得答案

(1)天平、刻度尺(2)沙和沙桶的總質量遠小于滑塊的質量平衡摩擦力(將木板左端適當墊高)(3)

探究動能定理的實驗方法較多,在解決此類問題之前,首先要弄清本實驗所涉及的實驗原理和方法,然后再依據相應規(guī)律求解.點評第十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二變式練習某同學做探究動能定理的實驗,如圖3所示,圖中小車在一條橡皮筋的作用下彈出,沿木板滑行,這時,橡皮筋對小車做的功為W.當用2條,3條…實驗時,使每次實驗中橡皮筋伸長的長度都保持一致.每次實驗中小車獲得的速度都由打點計時器所打的紙帶測出.圖3第十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二(1)除了圖中已有的器材外,還需要導線、開關、

(填測量工具)和

電源(填“交流”或“直流”).(2)實驗中小車會受到阻力,可以使木板適當傾斜來平衡摩擦力,需要在

(填“左”或“右”)側墊高木板.(3)若粗糙的木板水平,小車在橡皮筋的作用下,當小車速度最大時,關于橡皮筋所處的狀態(tài)與小車所在的位置可能是()A.橡皮筋處于原長狀態(tài)B.橡皮筋仍處于伸長狀態(tài)C.小車在兩個鐵釘連線處D.小車已過兩個鐵釘連線處第十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二(4)某次所打紙帶如圖4所示,在正確操作的情況下,打在紙帶上的點并不都是均勻的,為了測量小車獲得的速度,應選用紙帶的部分進行測量(根據下面所示的紙帶回答)答案

(1)刻度尺交流(2)左(3)B(4)GHIJ

圖4第十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二某同學用如圖5所示的實驗裝置探究小車動能變化與合外力對它所做功的關系.圖中A為小車,連接在小車后面的紙帶穿過打點計時器B的限位孔,它們均置于水平放置的一端帶有定滑輪的足夠長的木板上,C為彈簧測力計,不計繩與滑輪的摩擦.實驗時,先接通電源再松開小車,打點計時器在紙帶上打下一系列點.(1)該同學在一條比較理想的紙帶上,從點跡清楚的某點開始記為O點,順次選取5個點,分別測量這5個點到O點的距離.并計算出它們與O點之間的速度平方差Δv2(Δv2=v2-v02),填入下表:

圖5第十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二點跡s/cmΔv2/m2·s-20//11.600.0423.600.0936.000.1547.000.1959.200.23第十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二請以Δv2為縱坐標,以s為橫坐標在圖6中作出Δv2-s圖象.若測出小車質量為0.2kg,結合圖象可求得小車所受合外力的大小為

N.圖6第十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二(2)若該同學通過計算發(fā)現小車所受合外力小于測力計讀數,明顯超出實驗誤差的正常范圍.你認為主要原因是

,實驗操作中改進的措施是

.(1)如何減小誤差?(2)由動能定理可知,Δv2—s圖象為直線,應使盡可能多的點分布在直線上,或對稱分布在直線兩側.在實驗中提煉物理模型,把握好實驗原理,是處理問題的關鍵.思路點撥第十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二解析

(1)將表中的數據分別描在坐標系中,然后在圖中用平滑曲線連接,并且使盡可能多的點分布在曲線上,或對稱分布在直線兩側,如下圖所示.第十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二由圖中直線的斜率為由以上兩式解得F=0.25N.(2)主要原因是長木板對小車存在摩擦力;應將木板左端墊高,以平衡摩擦力,減小誤差.答案

(1)0.25見解析圖(2)長木板對小車存在摩擦力將木板左端墊高,以平衡摩擦力,減小誤差第十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二1.關于“探究動能定理”的實驗中,下列敘述正確的是()A.每次實驗必須設法算出橡皮筋對小車做功的具體數值B.每次實驗中,橡皮筋拉伸的長度沒有必要保持一致C.放小車的長木板應該盡量使其水平D.先接通打點計時器電源,再讓小車在橡皮筋的作用下彈出素能提升第二十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二解析

本實驗沒有必要測出橡皮筋做的功到底是多少焦耳,只要測出以后各次實驗時橡皮筋做的功是第一次實驗時的多少倍就已經足夠了,A錯;每次實驗橡皮筋伸長的長度必須保持一致,只有這樣才能保證以后各次實驗時,橡皮筋做的功是第一次實驗時的整數倍,B錯;小車運動中會受到阻力,只有使木板傾斜到一定程度,才能減小誤差,C錯;實驗時,應該先接通電源,讓打點計時器開始工作,然后再讓小車在橡皮筋的作用下彈出,D正確.答案

D第二十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二2.在用圖7所示裝置做“探究動能定理”的實驗時,下列說法正確的是()A.通過改變橡皮筋的粗細改變拉力做功的數值B.通過改變橡皮筋的長度改變拉力做功的數值C.通過打點計時器打下的紙帶來測定小車加速過程中獲得的最大速度D.通過打點計時器打下的紙帶來測定小車加速過程中獲得的平均速度圖7第二十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二解析

本題主要考查本實驗的實驗原理,考查學生的理解能力.實驗通過增加橡皮筋的條數,使橡皮筋對小車做的功成倍增加,故A、B錯誤;小車的速度對應的是橡皮筋對小車做功完畢的情形,故C正確,D錯誤.答案

C第二十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二3.在“探究功與速度變化的關系”的實驗中,某同學是用下面的方法和器材進行實驗的:放在長木板上的小車由靜止開始在幾條完全相同的橡皮筋的作用下沿木板運動,小車拉動固定在它上面的紙帶,紙帶穿過打點計時器.關于這一實驗,下列說法中不正確的是()A.長木板要適當傾斜,以平衡小車運動中受到的阻力B.重復實驗時,雖然用到橡皮筋的條數不同,但每次應使橡皮筋拉伸的長度相同C.利用紙帶上的點計算小車的速度時,應選用紙帶上打點最密集的部分進行計算D.利用紙帶上的點計算小車的速度時,應選用紙帶上打點最稀疏的部分進行計算第二十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二解析

在本題的實驗中,由于小車在運動中受到阻力(摩擦力和紙帶的阻力),所以要使長木板適當傾斜,以平衡小車運動過程中受到的阻力,重復實驗時,為了使橡皮筋對小車所做的功與它的條數成正比,所以用到橡皮筋的條數雖然不同,但每次應使橡皮筋拉伸的長度相同,利用紙帶上的點計算小車的速度時,由于要計算的是小車脫離橡皮筋后勻速運動的速度,所以應選用紙帶上打點最稀疏的部分進行計算,故A、B、D選項是正確的.答案

C第二十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二4.為了探究恒力作用時的動能定理,某同學做了如下實驗,他讓滑塊在某一水平面上滑行,利用速度采集器獲取其初速度v,并測量出不同初速度的最大滑行距離s,得到下表所示幾組數據:

數據組123456v/(m·s-1)00.160.190.240.300.49s/m00.0450.0750.1110.1630.442第二十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二(1)一同學根據表中數據,作出s—v圖象如圖8甲所示.觀察該圖象,該同學作出如下推理:根據s—v圖象大致是一條拋物線,可以猜想,s可能與v2成正比.請在圖乙所示坐標紙上選擇適當的坐標軸作出圖線驗證該同學的猜想.

圖8第二十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二(2)根據你所作的圖象,你認為滑塊滑行的最大距離s與滑塊初速度平方v2的關系是

.解析

(1)做出s—v2圖線如下圖所示.(2)由圖可以看出,滑塊滑行的最大距離s與滑塊初速度平方v2成正方.即:s∝v2.答案

(1)見解析圖(2)s=1.84v2第二十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二5.某同學為探究“恒力做功與物體動能改變的關系”,設計了如下實驗,他的操作步驟是:①擺好實驗裝置如圖9所示.②將質量為200g的小車拉到打點計時器附近,并按住小車.圖9第二十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二③在質量為10g、30g、50g的三種鉤碼中,他挑選了一個質量為50g的鉤碼掛在拉線的掛鉤P上.④釋放小車,打開電磁打點計時器的電源,打出一條紙帶.(1)在多次重復實驗得到的紙帶中取出自認為滿意的一條.經測量、計算,得到如下數據:①第一個點到第N個點的距離為40.0cm.②打下第N點時小車的速度大小為1.00m/s.該同學將鉤碼的重力當作小車所受的拉力,算出:拉力對小車做的功為

J,小車動能的增量為

J.第三十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二(2)此次實驗探究結果,他沒能得到“恒力對物體做的功,等于物體動能的增量”,且誤差很大.顯然,在實驗探究過程中忽視了各種產生誤差的因素.請你根據該同學的實驗裝置和操作過程幫助分析一下,造成較大誤差的主要原因是:

.解析

(1)拉力F=mg=0.050×9.8N=0.49N拉力對小車做的功W=Fs=0.49×0.400J=0.196J小車動能的增量=0.100J第三十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二(2)誤差很大的可能原因:a.小車質量不滿足遠大于鉤碼質量,使鉤碼的重力與小車受到的繩的拉力差別較大;b.沒有平衡摩擦力;c.先放小車后開電源,使打第一個點時,小車已有一定的初速度.答案

(1)0.1960.100(2)a.小車質量沒有遠大于鉤碼質量;b.沒有平衡摩擦力;c.操作④錯誤:先放小車后開電源第三十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期二6.在“探究恒力做功與動能改變的關系”實驗中,某實驗小組采用如圖10所示的實驗裝置和實驗器材.