2019-2020年高中物理 第2章 能的轉(zhuǎn)化與守恒 第2講 實(shí)驗(yàn) 探究恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系學(xué)案 魯科版必修2目標(biāo)定位1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系.2.學(xué)習(xí)利用圖象法研究功與物體速度變化的關(guān)系1常見的兩種實(shí)驗(yàn)方案 (1)方案一：使小車在橡皮筋的作用下彈出，如圖1所示圖1改變橡皮筋的條數(shù)并使小車從_被彈出；測(cè)出小車被彈出后的速度，尋找牽引力對(duì)小車做的功與小車速度的關(guān)系想一想由于橡皮筋彈力隨其形變量而變，那么如何處理橡皮筋對(duì)小車做的功？(2)方案二：由重物通過(guò)滑輪牽引小車，如圖2所示圖2改變重物的_或者改變小車運(yùn)動(dòng)的_，也就改變了牽引力做的功，從而探究牽引力做的功與小車獲得的速度間的關(guān)系2平衡摩擦力將木板一端墊高至輕推小車后小車做_運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，小車不要連接重物或拴橡皮筋，但應(yīng)連著_且接通電源想一想方案一實(shí)驗(yàn)中若不平衡摩擦力，紙帶上的點(diǎn)會(huì)是什么樣的？平衡摩擦力后，紙帶上的點(diǎn)又會(huì)是什么樣的？3數(shù)據(jù)的處理：通過(guò)試探與分析，確定W與v的關(guān)系(1)圖象法：分別試探畫出W與v、W與_、W與_、W與_間關(guān)系的圖象，找出哪一組的圖象更接近于過(guò)原點(diǎn)的_，從而確定功與速度變化的正確關(guān)系(2)計(jì)算法：對(duì)方案二，測(cè)出對(duì)小車?yán)Υ笮，小車位移s，及對(duì)應(yīng)速度v，計(jì)算拉力(或合力)對(duì)小車做的功W_，從而確定功與速度變化的關(guān)系.一、借助變力做功探究功與速度變化的關(guān)系1實(shí)驗(yàn)步驟(1)按圖3組裝好實(shí)驗(yàn)儀器，由于小車在運(yùn)動(dòng)中會(huì)受到阻力，把木板略微傾斜，使小車在木板上勻速運(yùn)動(dòng)，以平衡摩擦力圖3(2)先用一條橡皮筋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)把橡皮筋拉伸一定長(zhǎng)度，理順紙帶，接通電源，放開小車(3)換用紙帶，改用2條、3條同樣的橡皮筋進(jìn)行第2次、第3次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度都相同(4)由紙帶上點(diǎn)跡均勻部分算出小車獲得的速度，把各次實(shí)驗(yàn)獲得的速度依次記入設(shè)計(jì)的表格中(5)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，大致判斷兩個(gè)量可能的關(guān)系，然后以W為縱坐標(biāo)，以v(v2、v3)為橫坐標(biāo)作圖2數(shù)據(jù)處理與結(jié)果(1)以拉力(或合力)做的功W為縱坐標(biāo)，注意單位為一根橡皮筋做的功W0，以v為橫坐標(biāo)，作出Wv圖象若如圖4甲所示為曲線，嘗試作Wv2圖象，如圖乙，若Wv2圖線為直線，則說(shuō)明Wv2.圖4(2)結(jié)論：橡皮筋對(duì)小車的拉力(合力)做的功與小車速度的平方成正比，即Wv2.3注意事項(xiàng)(1)平衡小車在木板上運(yùn)動(dòng)的摩擦力，保證小車脫離橡皮筋后做勻速運(yùn)動(dòng)(2)本實(shí)驗(yàn)是利用橡皮筋的多少來(lái)表示拉力做功的大小，故不需要求出做功的數(shù)值但每次實(shí)驗(yàn)所用的橡皮筋都要相同并且拉伸的長(zhǎng)度都保持一致(3)打出的紙帶上的點(diǎn)間距并不都是均勻的，應(yīng)選取點(diǎn)跡清晰、間距均勻的部分計(jì)算小車的速度例1某實(shí)驗(yàn)小組采用如圖5所示的裝置探究功與速度變化的關(guān)系，小車在橡皮筋的作用下彈出后，沿木板滑行打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作頻率為50 Hz.圖5(1)實(shí)驗(yàn)中木板略微傾斜，這樣做_A是為了使釋放小車后，小車能勻加速下滑B是為了增大小車下滑的加速度C可使得橡皮筋做的功等于合力對(duì)小車做的功D可使得橡皮筋松弛后小車做勻速運(yùn)動(dòng)(2)實(shí)驗(yàn)中先后用同樣的橡皮筋1條、2條、3條合并起來(lái)掛在小車的前端進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，每次都要把小車?yán)酵晃恢迷籴尫虐训?次只掛1條橡皮筋時(shí)橡皮筋對(duì)小車做的功記為W1，第二次掛2條橡皮筋時(shí)橡皮筋對(duì)小車做的功為2W1橡皮筋對(duì)小車做功后而使小車獲得的速度可由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶測(cè)出根據(jù)第四次的紙帶(如圖6所示)求得小車獲得的速度為_m/s.圖6(3)若根據(jù)多次測(cè)量數(shù)據(jù)畫出的Wv圖象如圖所示，根據(jù)圖線形狀，可知對(duì)W與v的關(guān)系符合實(shí)際的是圖_針對(duì)訓(xùn)練為了探究對(duì)物體做功與物體速度變化的關(guān)系，現(xiàn)提供如圖7所示的器材，讓小車在橡皮筋的作用下彈出后，沿長(zhǎng)木板滑行，請(qǐng)思考探究思路并回答下列問(wèn)題(打點(diǎn)計(jì)時(shí)器交流電頻率為50 Hz)圖7(1)為了消除摩擦力的影響應(yīng)采取的措施是：_.(2)當(dāng)我們分別用同樣的橡皮筋1條、2條、3條并用來(lái)進(jìn)行第1次、第2次、第3次實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度都應(yīng)保持一致，我們把第1次實(shí)驗(yàn)時(shí)橡皮筋對(duì)小車做的功記為W.(3)由于橡皮筋對(duì)小車做功而使小車獲得的速度可以由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶測(cè)出，如圖8所示是其中四次實(shí)驗(yàn)打出的部分紙帶圖8(4)試根據(jù)(2)、(3)中的信息，填寫下表.次數(shù)1234橡皮筋對(duì)小車做功W小車速度v/(ms1)v2/(m2s2)從表中數(shù)據(jù)可得出結(jié)論：_.二、借助恒力做功探究功與速度變化的關(guān)系1測(cè)量前的準(zhǔn)備：平衡摩擦力將木板一端墊高，讓小車從木板上勻速滑動(dòng)，從而平衡摩擦力2實(shí)驗(yàn)必須滿足的條件：鉤碼質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量M在鉤碼質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量M的條件下，鉤碼的重力大小才近似等于小車所受合力3有關(guān)測(cè)量和計(jì)算(1)小車受到的合外力F：大小近似等于所掛鉤碼的重力mg，故用天平測(cè)出鉤碼的質(zhì)量m可求Fmg.(2)通過(guò)紙帶測(cè)小車的位移sn.(3)求出合力對(duì)小車做的功WFsnmgsn(4)通過(guò)紙帶求出對(duì)應(yīng)位移sn時(shí)，小車獲得的速度v.4結(jié)論研究W與v的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)合力對(duì)小車做的功W與小車速度的平方成正比，即滿足Wv2.例2某實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)采用如圖9所示的裝置(實(shí)驗(yàn)中，小車碰到制動(dòng)裝置時(shí)，鉤碼尚未到達(dá)地面)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器得到一條紙帶后，通過(guò)分析小車位移與速度變化的關(guān)系來(lái)研究合力對(duì)小車所做的功與速度變化的關(guān)系圖10是實(shí)驗(yàn)中得到的一條紙帶，點(diǎn)O為紙帶上的起始點(diǎn)，A、B、C是紙帶上的三個(gè)連續(xù)的計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間均有4個(gè)點(diǎn)未畫出，用刻度尺測(cè)得A、B、C到O的距離如圖所示已知所用交變電源的頻率為 50 Hz，則：圖9圖10(1)打B點(diǎn)時(shí)，小車的瞬時(shí)速度vB_m/s.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)(2)實(shí)驗(yàn)中，該小組的同學(xué)畫出小車位移s與速度v的關(guān)系圖象如圖11所示根據(jù)該圖線形狀，某同學(xué)對(duì)W與v的關(guān)系作出的猜想，肯定不正確的是_(填寫選項(xiàng)字母代號(hào))圖11AWv2 BWvCW DWv3(3)本實(shí)驗(yàn)中，若鉤碼下落高度為h1時(shí)合力對(duì)小車所做的功為W0，則當(dāng)鉤碼下落高度為h2時(shí)，合力對(duì)小車所做的功為_(用h1、h2、W0表示)借助變力做功探究功與速度變化的關(guān)系1某學(xué)習(xí)小組做“探究功與速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)如圖12甲所示，圖中小車是在一條橡皮筋作用下彈出的，沿木板滑行，這時(shí)，橡皮筋對(duì)小車做的功記為W.當(dāng)用2條、3條完全相同的橡皮筋并在一起進(jìn)行第2次、第3次實(shí)驗(yàn)時(shí)(每次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度都保持一致)，每次實(shí)驗(yàn)中小車獲得的速度根據(jù)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打在紙帶上的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算圖12(1)除了圖中已有的實(shí)驗(yàn)器材外，還需要導(dǎo)線、開關(guān)、刻度尺和_(選填“交流”或“直流”)電源(2)為平衡小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的阻力，應(yīng)該采用下面所述方法中的_(填入選項(xiàng)前的字母代號(hào))A逐步調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，讓小車能夠自由下滑B逐步調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，讓小車在橡皮筋作用下開始運(yùn)動(dòng)C逐步調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，給小車一初速度，讓拖著紙帶的小車勻速下滑D逐步調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，讓拖著紙帶的小車自由下滑(3)圖乙是該實(shí)驗(yàn)小組在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中打出的一條紙帶，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器連接的電源的頻率為50 Hz，則橡皮筋恢復(fù)原長(zhǎng)時(shí)小車的速度為_m/s(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)借助恒力做功探究功與速度變化的關(guān)系2在“探究恒力做功與物體的速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中備有下列器材：A.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器；B.天平；C.秒表；D.低壓交流電源；E.電池；F.紙帶；G.細(xì)線、砝碼、小車、砝碼盤；H.薄木板(1)其中多余的器材是_；缺少的器材是_(2)測(cè)量時(shí)間的工具是_；測(cè)量質(zhì)量的工具是_(3)如圖13所示是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的小車(質(zhì)量為m)在恒力F作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的紙帶，測(cè)量數(shù)據(jù)已用字母表示在圖中，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期為T.請(qǐng)分析，利用這些數(shù)據(jù)能否完成“探究恒力做功與物體的速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)？若不能，請(qǐng)說(shuō)明理由；若能，請(qǐng)寫出做法圖13答案精析第2講實(shí)驗(yàn)：探究恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)1(1)同樣的位置想一想可用多根相同的橡皮筋每次拉長(zhǎng)都一樣，這樣做功就是W與nW之間的關(guān)系(2)質(zhì)量距離2勻速直線紙帶想一想若不平衡摩擦，小車在開始時(shí)受橡皮筋的彈力和摩擦力拉力逐漸變小，摩擦力不變?cè)趦蓚€(gè)力相等前做加速度越來(lái)越小的加速運(yùn)動(dòng)，兩力相等時(shí)速度達(dá)到最大，之后兩力的合力方向與速度方向相反，做加速度越來(lái)越大的減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)橡皮筋恢復(fù)原長(zhǎng)后僅受摩擦力，做勻減速直線運(yùn)動(dòng)故紙帶上的點(diǎn)是兩頭密、中間疏，幾乎找不到間距相等的點(diǎn)平衡摩擦后，小車開始做加速度越來(lái)越小的加速運(yùn)動(dòng)，橡皮筋恢復(fù)原長(zhǎng)后做勻速直線運(yùn)動(dòng)故點(diǎn)跡是開始密，越來(lái)越疏，之后間距相等3(1)v2v3傾斜直線(2)Fs課堂講義例1(1)CD(2)2.00(3)C解析(1)木板傾斜是為了消除摩擦力的影響，可使得橡皮筋做的功等于合力對(duì)小車做的功，橡皮筋松弛后小車做勻速運(yùn)動(dòng)(2)小車的速度應(yīng)從勻速運(yùn)動(dòng)部分取紙帶，可得小車獲得的速度為2.00 m/s.(3)根據(jù)Wmv2，根據(jù)Wv2，可知應(yīng)選C.針對(duì)訓(xùn)練見解析解析(1)將長(zhǎng)木板固定，有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?，使小車勻速下?4)由勻速運(yùn)動(dòng)的速度公式v，其中s可從題圖上讀出，分別為2.00 cm,2.83 cm,3.46 cm,4.00 cm.tT0.02 s，即可求出小車的速度次數(shù)1234橡皮筋對(duì)小車做功W2W3W4W小車速度v/(ms1)1.01.4151.732.0v2/(m2s2)1.02.03.04.0從表中數(shù)據(jù)可以得出：橡皮筋對(duì)小車做的功與小車速度的平方成正比例2(1)0.80(2)BC(3)W0解析(1)vB m/s0.80 m/s.(2)由題圖知，位移與速度的關(guān)系圖象很像拋物線，所以可能sv2或sv3，又因?yàn)閃Fs，F(xiàn)恒定不變，故Wv2或Wv3，A、D正確，B、C錯(cuò)誤(3)設(shè)合力為F，由W0Fh1，得F，所以當(dāng)鉤碼下落h2時(shí)WFh2W0.對(duì)點(diǎn)練習(xí)1(1)交流(2)C(3)1.40解析(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用交流電源(2)平衡摩擦力的方法是：逐步調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，給小車一初速度，讓拖著紙帶的小車勻速下滑，故選C.(3)從C點(diǎn)到F點(diǎn)小車做勻速運(yùn)動(dòng)，則速度為v1.40 m/s.2(1)C、E毫米刻度尺(2)AB(3)見解析解析(1)計(jì)算小車速度是利用打上點(diǎn)的紙帶，故不需要秒表打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)使用低壓交流電源故多余的器材是C、E；測(cè)量點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離要用毫米刻度尺，故缺少的器材是毫米刻度尺(2)測(cè)量時(shí)間的工具是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器；測(cè)量質(zhì)量的工具是天平(3)能，從A到B的過(guò)程中，恒力做的功為WABFsAB，A、B兩點(diǎn)的速度可根據(jù)vA，vB算出