高中物理 第2章 能的转化与守恒 第2讲 实验 探究恒力做功与动能改变的关系学案 鲁科版必修2.docx

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高中物理第2章能的转化与守恒第2讲实验探究恒力做功与动能改变的关系学案鲁科版必修2

2019-2020年高中物理第2章能的转化与守恒第2讲实验探究恒力做功与动能改变的关系学案鲁科版必修2

[目标定位]　1.通过实验探究恒力做功与动能改变的关系.2.学习利用图象法研究功与物体速度变化的关系．

1．常见的两种实验方案

（1）方案一：

使小车在橡皮筋的作用下弹出，如图1所示．

图1

改变橡皮筋的条数并使小车从____________被弹出；测出小车被弹出后的速度，寻找牵引力对小车做的功与小车速度的关系．

想一想　由于橡皮筋弹力随其形变量而变，那么如何处理橡皮筋对小车做的功？

（2）方案二：

由重物通过滑轮牵引小车，如图2所示．

图2

改变重物的______或者改变小车运动的______，也就改变了牵引力做的功，从而探究牵引力做的功与小车获得的速度间的关系．

2．平衡摩擦力

将木板一端垫高至轻推小车后小车做__________运动，此时，小车不要连接重物或拴橡皮筋，但应连着______且接通电源．

想一想　方案一实验中若不平衡摩擦力，纸带上的点会是什么样的？

平衡摩擦力后，纸带上的点又会是什么样的？

3．数据的处理：

通过试探与分析，确定W与v的关系．

（1）图象法：

分别试探画出W与v、W与____、W与____、W与____间关系的图象，找出哪一组的图象更接近于过原点的__________，从而确定功与速度变化的正确关系．

（2）计算法：

对方案二，测出对小车拉力大小F，小车位移s，及对应速度v，计算拉力（或合力）对小车做的功W＝____，从而确定功与速度变化的关系.

一、借助变力做功探究功与速度变化的关系

1．实验步骤

（1）按图3组装好实验仪器，由于小车在运动中会受到阻力，把木板略微倾斜，使小车在木板上匀速运动，以平衡摩擦力．

图3

（2）先用一条橡皮筋进行实验．把橡皮筋拉伸一定长度，理顺纸带，接通电源，放开小车．

（3）换用纸带，改用2条、3条……同样的橡皮筋进行第2次、第3次……实验，每次实验中橡皮筋拉伸的长度都相同．

（4）由纸带上点迹均匀部分算出小车获得的速度，把各次实验获得的速度依次记入设计的表格中．

（5）对观测数据进行估计，大致判断两个量可能的关系，然后以W为纵坐标，以v（v2、v3）为横坐标作图．

2．数据处理与结果

（1）以拉力（或合力）做的功W为纵坐标，注意单位为一根橡皮筋做的功W0，以v为横坐标，作出Wv图象．若如图4甲所示为曲线，尝试作Wv2图象，如图乙，若Wv2图线为直线，则说明W∝v2.

图4

（2）结论：

橡皮筋对小车的拉力（合力）做的功与小车速度的平方成正比，即W∝v2.

3．注意事项

（1）平衡小车在木板上运动的摩擦力，保证小车脱离橡皮筋后做匀速运动．

（2）本实验是利用橡皮筋的多少来表示拉力做功的大小，故不需要求出做功的数值．但每次实验所用的橡皮筋都要相同并且拉伸的长度都保持一致．

（3）打出的纸带上的点间距并不都是均匀的，应选取点迹清晰、间距均匀的部分计算小车的速度．

例1　某实验小组采用如图5所示的装置探究功与速度变化的关系，小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿木板滑行．打点计时器的工作频率为50Hz.

图5

（1）实验中木板略微倾斜，这样做________．

A．是为了使释放小车后，小车能匀加速下滑

B．是为了增大小车下滑的加速度

C．可使得橡皮筋做的功等于合力对小车做的功

D．可使得橡皮筋松弛后小车做匀速运动

（2）实验中先后用同样的橡皮筋1条、2条、3条…合并起来挂在小车的前端进行多次实验，每次都要把小车拉到同一位置再释放．把第1次只挂1条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功记为W1，第二次挂2条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功为2W1…橡皮筋对小车做功后而使小车获得的速度可由打点计时器打出的纸带测出．根据第四次的纸带（如图6所示）求得小车获得的速度为________m/s.

图6

（3）若根据多次测量数据画出的Wv图象如图所示，根据图线形状，可知对W与v的关系符合实际的是图________．

针对训练　为了探究对物体做功与物体速度变化的关系，现提供如图7所示的器材，让小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿长木板滑行，请思考探究思路并回答下列问题（打点计时器交流电频率为50Hz）．

图7

（1）为了消除摩擦力的影响应采取的措施是：

____________________________________

________________________________________________________________________.

（2）当我们分别用同样的橡皮筋1条、2条、3条……并用来进行第1次、第2次、第3次……实验时，每次实验中橡皮筋拉伸的长度都应保持一致，我们把第1次实验时橡皮筋对小车做的功记为W.

（3）由于橡皮筋对小车做功而使小车获得的速度可以由打点计时器和纸带测出，如图8所示是其中四次实验打出的部分纸带．

图8

（4）试根据

（2）、（3）中的信息，填写下表.

次数

1

2

3

4

橡皮筋对小车做功

W

小车速度v/（m·s－1）

v2/（m2·s－2）

从表中数据可得出结论：

_______________________________________________.

二、借助恒力做功探究功与速度变化的关系

1．测量前的准备：

平衡摩擦力

将木板一端垫高，让小车从木板上匀速滑动，从而平衡摩擦力．

2．实验必须满足的条件：

钩码质量m远小于小车质量M

在钩码质量m远小于小车质量M的条件下，钩码的重力大小才近似等于小车所受合力．

3．有关测量和计算

（1）小车受到的合外力F：

大小近似等于所挂钩码的重力mg，故用天平测出钩码的质量m可求F≈mg.

（2）通过纸带测小车的位移sn.

（3）求出合力对小车做的功W＝Fsn＝mgsn

（4）通过纸带求出对应位移sn时，小车获得的速度v＝.

4．结论

研究W与v的关系，发现合力对小车做的功W与小车速度的平方成正比，即满足W∝v2.

例2　某实验小组的同学采用如图9所示的装置（实验中，小车碰到制动装置时，钩码尚未到达地面）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小车所做的功与速度变化的关系．图10是实验中得到的一条纸带，点O为纸带上的起始点，A、B、C是纸带上的三个连续的计数点，相邻两个计数点间均有4个点未画出，用刻度尺测得A、B、C到O的距离如图所示．已知所用交变电源的频率为50Hz，则：

图9

图10

（1）打B点时，小车的瞬时速度vB＝________m/s.（结果保留两位有效数字）

（2）实验中，该小组的同学画出小车位移s与速度v的关系图象如图11所示．根据该图线形状，某同学对W与v的关系作出的猜想，肯定不正确的是________．（填写选项字母代号）

图11

A．W∝v2B．W∝v

C．W∝D．W∝v3

（3）本实验中，若钩码下落高度为h1时合力对小车所做的功为W0，则当钩码下落高度为h2时，合力对小车所做的功为________．（用h1、h2、W0表示）

借助变力做功探究功与速度变化的关系

1．某学习小组做“探究功与速度变化的关系”的实验如图12甲所示，图中小车是在一条橡皮筋作用下弹出的，沿木板滑行，这时，橡皮筋对小车做的功记为W.当用2条、3条……完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次……实验时（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根据打点计时器所打在纸带上的点进行计算．

图12

（1）除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、刻度尺和________（选填“交流”或“直流”）电源．

（2）为平衡小车运动过程中受到的阻力，应该采用下面所述方法中的________（填入选项前的字母代号）．

A．逐步调节木板的倾斜程度，让小车能够自由下滑

B．逐步调节木板的倾斜程度，让小车在橡皮筋作用下开始运动

C．逐步调节木板的倾斜程度，给小车一初速度，让拖着纸带的小车匀速下滑

D．逐步调节木板的倾斜程度，让拖着纸带的小车自由下滑

（3）图乙是该实验小组在实验过程中打出的一条纸带，已知打点计时器连接的电源的频率为50Hz，则橡皮筋恢复原长时小车的速度为__________m/s（结果保留3位有效数字）．

借助恒力做功探究功与速度变化的关系

2．在“探究恒力做功与物体的速度变化的关系”的实验中备有下列器材：

A.打点计时器；B.天平；C.秒表；D.低压交流电源；E.电池；F.纸带；G.细线、砝码、小车、砝码盘；H.薄木板．

（1）其中多余的器材是________________；缺少的器材是________________．

（2）测量时间的工具是____________；测量质量的工具是________________．

（3）如图13所示是打点计时器打出的小车（质量为m）在恒力F作用下做匀加速直线运动的纸带，测量数据已用字母表示在图中，打点计时器的打点周期为T.请分析，利用这些数据能否完成“探究恒力做功与物体的速度变化的关系”实验？

若不能，请说明理由；若能，请写出做法．

图13

答案精析

第2讲　实验：

探究恒力做功与动能改变的关系

预习导学

1．

（1）同样的位置

想一想　可用多根相同的橡皮筋每次拉长都一样，这样做功就是W与nW之间的关系．

（2）质量　距离

2．匀速直线　纸带

想一想　若不平衡摩擦，小车在开始时受橡皮筋的弹力和摩擦力．拉力逐渐变小，摩擦力不变．在两个力相等前做加速度越来越小的加速运动，两力相等时速度达到最大，之后两力的合力方向与速度方向相反，做加速度越来越大的减速运动，当橡皮筋恢复原长后仅受摩擦力，做匀减速直线运动．故纸带上的点是两头密、中间疏，几乎找不到间距相等的点．

平衡摩擦后，小车开始做加速度越来越小的加速运动，橡皮筋恢复原长后做匀速直线运动．故点迹是开始密，越来越疏，之后间距相等．

3．

（1）v2　v3　　倾斜直线　

（2）Fs

课堂讲义

例1　

（1）CD　

（2）2.00　（3）C

解析　

（1）木板倾斜是为了消除摩擦力的影响，可使得橡皮筋做的功等于合力对小车做的功，橡皮筋松弛后小车做匀速运动．

（2）小车的速度应从匀速运动部分取纸带，可得小车获得的速度为2.00m/s.

（3）根据W＝mv2，根据W∝v2，可知应选C.

针对训练　见解析

解析　

（1）将长木板固定，有打点计时器的一端垫起适当的高度，使小车匀速下滑．

（4）由匀速运动的速度公式v＝，其中s可从题图上读出，分别为2.00cm,2.83cm,3.46cm,4.00cm.t＝T＝＝0.02s，即可求出小车的速度．

次数

1

2

3

4

橡皮筋对小车做功

W

2W

3W

4W

小车速度v/（m·s－1）

1.0

1.415

1.73

2.0

v2/（m2·s－2）

1.0

2.0

3.0

4.0

从表中数据可以得出：

橡皮筋对小车做的功与小车速度的平方成正比．

例2　

（1）0.80　

（2）BC　（3）W0

解析　

（1）vB＝

＝m/s

＝0.80m/s.

（2）由题图知，位移与速度的关系图象很像抛物线，所以可能s∝v2或s∝v3，又因为W＝Fs，F恒定不变，故W∝v2或W∝v3，A、D正确，B、C错误．

（3）设合力为F，由W0＝Fh1，得F＝，所以当钩码下落h2时W＝Fh2＝W0.

对点练习

1．

（1）交流　

（2）C　（3）1.40

解析　

（1）打点计时器使用交流电源．

（2）平衡摩擦力的方法是：