實驗(7):探究做功與物體速度變化的關(guān)系一、實驗原理圖方案一方案二二、基本實驗要求1.實驗目的(1)通過實驗探究力對物體做的功與物體速度變化的關(guān)系。(2)通過實驗數(shù)據(jù)分析,總結(jié)出做功與物體速度二次方的正比關(guān)系。2.實驗原理方案一:由重物提供牽引力如圖,由重物通過滑輪牽引小車,當小車的質(zhì)量比重物大得多時,可以把重物所受的重力當作小車受到的牽引力,小車運動的距離可以由紙帶測出,改變重物的質(zhì)量或者改變小車運動的距離,也就改變了牽引力做的功。方案二:由橡皮筋提供牽引力如圖,第一次使小車在一根橡皮筋作用下彈出。第二次、第三次操作時分別改用2根、3根同樣的橡皮筋,并使小車從同樣的位置被彈出,那么橡皮筋對小車做的功一定是第一次的2倍、3倍測出小車被彈出后的速度,能夠找到牽引力對小車做的功與小車速度變化的關(guān)系。3.實驗器材方案一:重物(小盤中放砝碼或砂桶中盛砂)、打點計時器、小車、紙帶、復寫紙、電源、導線、刻度尺、一端帶有滑輪的長木板、帶小鉤的細線等。方案二:橡皮筋若干根(材質(zhì)、長短、粗細均相同)、打點計時器、小車、紙帶、復寫紙、電源、導線、刻度尺、木板、鐵釘?shù)取?.實驗步驟方案一:(1)用天平測出重物的質(zhì)量m(mM車),將數(shù)據(jù)記錄在表中。(2)將打點計時器固定在長木板上沒有滑輪的一端,紙帶的一端夾在小車后端,另一端穿過打點計時器,將長木板安裝有打點計時器的一端適當墊高,調(diào)整高度,直至輕推小車后,恰能使小車在木板上做勻速直線運動為止。(3)在小車前系好細線并通過滑輪掛上重物,將小車置于靠近打點計時器處,接通打點計時器電源,釋放小車。(4)改變重物質(zhì)量,重做上述實驗。(5)如圖所示,將紙帶上的第一個點記為計數(shù)點O,再在紙帶的后端選擇連續(xù)的5個打印點分別記為計數(shù)點1、2、3、4、5,分別測出計數(shù)點1、2、3、4、5至計數(shù)點O的距離(即小車的位移l),并利用打上點的紙帶,測出打各計數(shù)點時小車的速度v,將實驗數(shù)據(jù)記錄在表中。(6)將計算得到的功W記錄在表格中。(7)根據(jù)記錄的W、v數(shù)據(jù),在坐標紙上作出合適的圖象,兩次實驗可以在同一坐標系中作出兩條圖線。方案二:(1)選擇確定本實驗的探究方案。(2)平衡摩擦力:在長木板有打點計時器的一端下面墊一塊小木板,反復移動小木板的位置,直至小車不受牽引時,紙帶打出的點間距均勻。(3)將橡皮筋的一端固定在長木板前端的鐵釘上,另一端固定在小車前端的鉤子上,將小車置于靠近打點計時器處,接通打點計時器的電源,釋放小車。(4)用2根、3根、4根、5根相同的橡皮筋分別代替1根橡皮筋重做實驗,保證每次釋放小車的位置相同,即橡皮筋被拉長的長度相同。(5)在上述實驗中打出的5條紙帶上分別找出小車近似做勻速運動的點,并分別求出勻速運動時的速度v,將實驗數(shù)據(jù)記錄在表中。(6)根據(jù)記錄的W、v數(shù)據(jù),在坐標紙上作出合適的圖象。(7)整理實驗器材。5.數(shù)據(jù)處理圖象法處理實驗數(shù)據(jù),探究做功與物體速度變化的關(guān)系。6.注意事項(1)平衡摩擦力:為防止摩擦力對實驗的影響,我們應(yīng)設(shè)法排除摩擦力的影響,可將木板一端墊高,使重力沿斜面方向的分力與摩擦力平衡,從而消除摩擦力的影響。判斷已平衡掉摩擦力的方法是輕推一下小車,觀察到小車不受其他力時能在木板上勻速運動。(2)在方案二中,我們用2根、3根相同的橡皮筋進行第2次、第3次實驗,每次實驗時使小車從同一地點靜止釋放,使橡皮筋伸長的長度保持一致。(3)在方案二中,打點計時器打出的紙帶上相鄰各點的間距并不均勻,應(yīng)選間距均勻的那一段紙帶來計算小車的速度,因為這一段是橡皮筋對小車做功完畢時的情形?？键c1考點2考點3考點1實驗原理和操作典例典例1如圖所示,在“探究功與物體速度變化的關(guān)系”的實驗中,(1)下列說法正確的是。A.為減小實驗誤差,長木板應(yīng)水平放置B.實驗中需要算出橡皮筋做功的具體數(shù)值C.通過增加橡皮筋的條數(shù)可以使橡皮筋對小車做的功成整數(shù)倍增加D.小車在橡皮筋拉力作用下做勻加速直線運動,當橡皮筋恢復原長后,小車做勻速運動考點1考點2考點3(2)用該裝置實驗時,不可缺少的操作是。A.測出小車的質(zhì)量B.測出橡皮筋的伸長量C.用量角器測出長木板的傾角D.改變橡皮筋條數(shù)后將小車從同一位置釋放 答案解析解析關(guān)閉(1)為使橡皮筋做的功為合力的功,必須平衡摩擦力,故A錯;本實驗用橡皮筋對小車做功的整數(shù)倍來進行研究,故B項錯,C項正確;橡皮筋的力是變力,小車在橡皮筋拉力作用下做的不是勻變速直線運動,故D錯。(2)該實驗中小車的質(zhì)量、橡皮筋的伸長量及長木板的傾角都不需要測量,故選D。 答案解析關(guān)閉 (1)C(2)D考點1考點2考點3考點2實驗數(shù)據(jù)處理典例典例2“探究彈力做功與速度變化的關(guān)系”的實驗裝置如圖所示,當小車在兩條橡皮筋作用下彈出時,橡皮筋對小車做的功記為W0。當用4條、6條、8條完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次、第4次實驗時,橡皮筋對小車做的功記為2W0、3W0、4W0每次實驗中由靜止彈出的小車獲得的最大速度均可由打點計時器所打的紙帶測出?？键c1考點2考點3(1)關(guān)于該實驗,下列說法正確的是。A.打點計時器可以用直流電源供電,電壓為46VB.實驗中使用的若干根橡皮筋的原長可以不相等C.每次實驗中應(yīng)使小車從同一位置由靜止彈出D.利用每次測出的小車最大速度vmax和橡皮筋做的功W,依次作出的圖象,得出合力做功與物體速度變化的關(guān)系考點1考點2考點3(2)如圖給出了某次在正確操作情況下打出的紙帶,從中截取了測量物體最大速度所用的一段紙帶,測得O點到A、B、C、D、E各點的距離分別為OA=5.65cm,OB=7.12cm,OC=8.78cm,OD=10.40cm,OE=11.91cm。已知相鄰兩點時間間隔為0.02s,則小車獲得的最大速度vmax=m/s?？键c1考點2考點3解析: (1)打點計時器只能用電壓為46V的交流電源供電,選項A錯誤;實驗中使用的若干根橡皮筋的原長必須相等,否則實驗誤差太大,甚至出現(xiàn)錯誤,選項B錯誤;每次實驗都應(yīng)使小車從同一位置由靜止彈出,才能保證橡皮筋的形變量相同,選項C正確;利用圖象可以減小實驗誤差,能更直觀地反映出合力做功與物體速度變化的關(guān)系,選項D正確。(2)由圖及所給數(shù)據(jù)可知小車一定在BC間獲得最大速度,所以答案: (1)CD(2)0.83考點1考點2考點3典例典例3某同學為探究“合力做功與物體速度變化的關(guān)系”,設(shè)計了如下實驗,他的操作步驟是:按圖擺好實驗裝置,其中小車質(zhì)量M=0.20kg,鉤碼總質(zhì)量m=0.05kg。釋放小車,然后接通打點計時器的電源(電源頻率為f=50Hz),打出一條紙帶。考點1考點2考點3(1)他在多次重復實驗得到的紙帶中取出自認為滿意的一條,如下圖所示。把打下的第一點記作0,然后依次取若干個計數(shù)點,相鄰計數(shù)點間還有4個點未畫出,用厘米刻度尺測得各計數(shù)點到0點距離分別為d1=0.004m,d2=0.055m,d3=0.167m,d4=0.256m,d5=0.360m,d6=0.480m他把鉤碼重力(g取9.8m/s2)作為小車所受合力算出打下0點到打下第5點合力做功W=J(結(jié)果保留三位有效數(shù)字),打下第5點時小車的速度v5=m/s(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)?？键c1考點2考點3(2)此次實驗探究的結(jié)果,他沒能得到“合力對物體做的功Wv2”的結(jié)論,且誤差很大。通過反思,他認為產(chǎn)生誤差的原因如下,其中正確的是。A.鉤碼質(zhì)量太大,使得合力對物體做功的測量值比真實值偏大太多B.沒有平衡摩擦力,使得合力對物體做功的測量值比真實值偏大太多C.釋放小車和接通電源的次序有誤,使得動能增量的測量值比真實值偏小D.沒有使用最小刻度為毫米的刻度尺測距離也是產(chǎn)生此誤差的重要原因考點1考點2考點3解析: (1)根據(jù)題意物體所受合外力為:F=mg=0.059.8=0.49N,根據(jù)功的定義可知:W=Fd5=0.176J;根據(jù)勻變速直線運動中時間中點的瞬時速度等于該過程中的平均速度,可以求出第5個點的速度大小為:(2)設(shè)繩子上拉力為F,根據(jù)牛頓第二定律有:對小車:F=Ma;對鉤碼:mg-F=ma;可得,由此可知當Mm時,鉤碼的重力等于繩子的拉力,因此當鉤碼質(zhì)量太大時,會造成較大誤差,故A正確;實驗中要進行平衡摩擦力操作,若沒有平衡摩擦力直接將鉤碼重力做的功當做小車合外力做的功,會造成較大誤差,故B正確;釋放小車和接通電源的順序有誤,影響打點多少,不一定會使動能的測量值偏小,故C錯誤;距離的測量產(chǎn)生的誤差不是該實驗產(chǎn)生的主要誤差,故D錯誤。答案: (1)0.1761.12(2)AB考點1考點2考點3考點3誤差與實驗創(chuàng)新設(shè)計典例典例4某同學利用如圖所示的裝置探究功與速度變化的關(guān)系。步驟一:小物塊在橡皮筋的作用下彈出,沿水平桌面滑行,之后平拋落至水平地面上,落點記為M1;步驟二:在釘子上分別套上2條、3條、4條同樣的橡皮筋,使每次橡皮筋拉伸的長度都保持一致,重復步驟一,小物塊落點分別記為M2、M3、M4考點1考點2考點3步驟三:測量相關(guān)數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)處理。(1)為求出小物塊拋出時的動能,需要測量下列物理量中的()。A.小物塊的質(zhì)量mB.橡皮筋的原長xC.橡皮筋的伸長量xD.桌面到地面的高度hE.小物塊拋出點到落地點的水平距離L(2)將幾次實驗中橡皮筋對小物塊做功分別記為W1、W2、W3小物塊拋出點到落地點的水平距離分別記為L1、L2、L3若功與速度的二次方成正比,則應(yīng)以W為縱坐標、為橫坐標作圖,才能得到一條直線。(3)由于小物塊與桌面之間的摩擦不能忽略,則由此引起的誤差屬于(選填“偶然誤差”或“系統(tǒng)誤差”)。考點1考點2考點3解析: (1)根據(jù)動能的定義可知,有物體的質(zhì)量和速度可以計算其動能,所以必須測量小物塊的質(zhì)量和其水平速度,由于小物塊做平拋運動,所以測量桌面到地面的高度和小物塊拋出點到落地點的水平距離后,可以根據(jù)平拋運動的運動規(guī)律計算其初速度。(2)由于功W與速度的二次方v2成正比,而小物塊拋出點到落地點的水平距離L又與速度v成正比,所以功W與小物塊拋出點到落地點的水平距離的二次方L2成正比。(3)由于多次測量無法抵消小物塊與桌面之間的摩擦引起的誤差,所以該誤差為系統(tǒng)誤差。答案: (1)ADE(2)L2(3)系統(tǒng)誤差