2018版 第2章 實(shí)驗(yàn)：探究恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系

第頁實(shí)驗(yàn)：探究恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康奶骄亢懔ψ龉εc動(dòng)能改變的關(guān)系．二、實(shí)驗(yàn)原理在鉤碼的拉動(dòng)下，小車的速度發(fā)生了變化，也就是小車的動(dòng)能發(fā)生了變化．鉤碼對(duì)小車的拉力對(duì)小車做了功，只要能求出小車動(dòng)能的變化量、小車運(yùn)動(dòng)的位移以及鉤碼對(duì)小車的拉力(近似等于鉤碼的重力)，就可以研究W＝Fs與ΔEk之間的關(guān)系．三、實(shí)驗(yàn)器材長(zhǎng)木板(一端附有滑輪)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、鉤碼若干、小車、紙帶、復(fù)寫紙片、刻度尺、細(xì)線．(實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示)圖1一、實(shí)驗(yàn)步驟1．將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在長(zhǎng)木板上，把紙帶的一端固定在小車的后面，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器．2．改變木板傾角，使小車重力沿斜木板方向的分力平衡小車及紙帶受到的摩擦力，使小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)．3．用細(xì)線將木板上的小車通過一個(gè)定滑輪與懸吊的鉤碼相連．接通電源，放開小車，讓小車拖著紙帶運(yùn)動(dòng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器就在紙帶上打下一系列的點(diǎn)．4．更換紙帶，重復(fù)實(shí)驗(yàn)．選擇一條點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析．二、數(shù)據(jù)處理1．應(yīng)用紙帶求解速度：小車在細(xì)線的拉力作用下，做勻加速直線運(yùn)動(dòng)．初速度和末速度可通過處理紙帶求得．依據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)計(jì)算某點(diǎn)的瞬時(shí)速度：vn＝eq\f(sn＋1＋sn,2t).2．計(jì)算恒力所做的功：在紙帶上記下第一點(diǎn)O的位置，再在紙帶上任意點(diǎn)開始選取n個(gè)點(diǎn)1、2、3、4…并量出各點(diǎn)到位置O的距離，即為小車運(yùn)動(dòng)的位移s，由此可計(jì)算拉力所做的功W1＝mgs1，W2＝mgs2…3．確定物體動(dòng)能的改變量：ΔE1＝eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,1)，ΔE2＝eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,2)…三、注意事項(xiàng)1．實(shí)驗(yàn)中不可避免地要受到摩擦力的作用，摩擦力對(duì)小車做負(fù)功，我們研究拉力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系，應(yīng)該設(shè)法消除摩擦力的影響，可采取將木板一端墊高的方法來實(shí)現(xiàn)，將木板一端墊高，使重力沿斜面方向的分力與摩擦力相平衡，就能消除摩擦力的影響．2．盡量減小小車的加速度．因?yàn)殂^碼拉著小車加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，鉤碼處于失重狀態(tài)，小車受到的拉力小于鉤碼的重力．為減小這一系統(tǒng)誤差，應(yīng)使小車的加速度盡量小，也就是實(shí)驗(yàn)中必須滿足鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量．3．由于本實(shí)驗(yàn)要求小車由靜止開始運(yùn)動(dòng)，所以應(yīng)正確選取O點(diǎn)位置，選取第一個(gè)點(diǎn)跡清晰的紙帶，其他點(diǎn)的位置盡量離O點(diǎn)遠(yuǎn)些．四、誤差分析本實(shí)驗(yàn)的誤差主要來源于拉力略小于鉤碼的重力、不能完全平衡摩擦力、起始點(diǎn)O的速度不為零和測(cè)量誤差等方面.實(shí)驗(yàn)探究1實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟某學(xué)習(xí)小組的同學(xué)想要驗(yàn)證“動(dòng)能定理”，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室組裝了一套裝置如圖2所示，另外還有交流電源、導(dǎo)線、復(fù)寫紙、細(xì)沙以及天平都沒畫出來．當(dāng)滑塊連接上紙帶，用細(xì)線通過滑輪掛上空的小沙桶時(shí)，釋放小桶，滑塊處于靜止?fàn)顟B(tài)．如果要完成該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，則：圖2(1)還需要的實(shí)驗(yàn)器材是()A．秒表 B．刻度尺C．彈簧測(cè)力計(jì) D．重錘(2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，首先要做的步驟是____________________________________________________________________________________________.(3)在(2)的基礎(chǔ)上，某同學(xué)用天平稱出滑塊的質(zhì)量M.往沙桶中裝入適量的細(xì)沙，并稱出此時(shí)沙和沙桶的總質(zhì)量m.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(zhì)量m應(yīng)滿足的實(shí)驗(yàn)條件是________．實(shí)驗(yàn)時(shí)釋放滑塊讓沙桶帶著滑塊加速運(yùn)動(dòng)，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(打相鄰兩個(gè)點(diǎn)的時(shí)間間隔為T)記錄其運(yùn)動(dòng)情況的紙帶如圖3所示，紙帶上開始的一些點(diǎn)較模糊未畫出，其他的每?jī)牲c(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)也未畫出，現(xiàn)測(cè)得O到E點(diǎn)間的長(zhǎng)為L(zhǎng)，D到F點(diǎn)間的長(zhǎng)為s，則E點(diǎn)速度大小為________．若取O點(diǎn)的速度為v1、E點(diǎn)速度為v2那么本實(shí)驗(yàn)最終要驗(yàn)證的數(shù)學(xué)表達(dá)式為________．圖3【解析】(1)要完成該實(shí)驗(yàn)需要測(cè)定合外力做的功W及滑塊的初、末動(dòng)能Ek1、Ek2，因此需要測(cè)定滑塊的運(yùn)動(dòng)位移，給出的幾種器材中需要刻度尺，選項(xiàng)B正確．(2)為了便于操作，應(yīng)使細(xì)線對(duì)滑塊的拉力就是滑塊受到的合外力，因此，應(yīng)該首先平衡滑塊受到的摩擦力．(3)滑塊與沙桶和沙子組成的系統(tǒng)加速運(yùn)動(dòng)，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，就要求沙子和沙桶的合外力近似為零，因此，需要滿足m?M；打下D、F兩點(diǎn)的時(shí)間間隔為t＝2×5T＝10T，點(diǎn)E是中間時(shí)刻打的點(diǎn)，因此vE＝eq\x\to(v)＝eq\f(s,10T)；O點(diǎn)的動(dòng)能為Ek1＝eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,1)，E點(diǎn)的動(dòng)能為Ek2＝eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,2)，該過程合外力做的功為W＝mgL，為了驗(yàn)證動(dòng)能定理，需要驗(yàn)證mgL＝eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,2)－eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,1)成立．【答案】(1)B(2)平衡摩擦力(3)m?Meq\f(s,10T)mgL＝eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,2)－eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,1)實(shí)驗(yàn)探究2數(shù)據(jù)處理和誤差分析某同學(xué)為探究“合力做功與物體速度變化的關(guān)系”，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)，他的操作步驟是：①按圖4擺好實(shí)驗(yàn)裝置，其中小車質(zhì)量M＝0.20kg，鉤碼總質(zhì)量m＝0.05kg.②釋放小車，然后接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源(電源頻率為f＝50Hz)，打出一條紙帶．圖4(1)他在多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到的紙帶中取出自認(rèn)為滿意的一條，如圖5所示．把打下的第一點(diǎn)記作0，然后依次取若干個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)未畫出，用厘米刻度尺測(cè)得各計(jì)數(shù)點(diǎn)到0點(diǎn)距離分別為d1＝0.004m，d2＝0.055m，d3＝0.167m，d4＝0.256m，d5＝0.360m，d6＝0.480m…，他把鉤碼重力(當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭取9.8m/s2)作為小車所受合力算出打下0點(diǎn)到打下第5點(diǎn)合力做功W＝________J(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)，打下第5點(diǎn)時(shí)小車的速度v5＝______m/s(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)．圖5(2)此次實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)果，他沒能得到“合力對(duì)物體做的功W∝v2”的結(jié)論，且誤差很大．通過反思，他認(rèn)為產(chǎn)生誤差的原因如下，其中正確的是________．A．鉤碼質(zhì)量太大，使得合力對(duì)物體做功的測(cè)量值比真實(shí)值偏大太多B．沒有平衡摩擦力，使得合力對(duì)物體做功的測(cè)量值比真實(shí)值偏大太多C．釋放小車和接通電源的次序有誤，使得動(dòng)能增量的測(cè)量值比真實(shí)值偏小D．沒有使用最小刻度為毫米的刻度尺測(cè)距離也是產(chǎn)生此誤差的重要原因【解析】(1)根據(jù)題意物體所受合外力為：F＝mg＝0.05×9.8N＝0.49N，根據(jù)功的定義可知：W＝Fd5＝0.176J；根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)中時(shí)間中點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于該過程中的平均速度，可以求出第5個(gè)點(diǎn)的速度大小為：v5＝eq\f(d6－d4,2T)＝eq\f(0.480－0.256,2×5×0.02)m/s＝1.12m/s.(2)設(shè)繩子上拉力為F，根據(jù)牛頓第二定律有：對(duì)小車：F＝Ma ①對(duì)鉤碼：mg－F＝ma ②聯(lián)立①②可得F＝eq\f(mgM,M＋m)＝eq\f(mg,1＋\f(m,M))，由此可知當(dāng)M?m時(shí)，鉤碼的重力等于繩子的拉力，因此當(dāng)鉤碼質(zhì)量太大時(shí)，會(huì)造成較