高中創(chuàng)新設(shè)計物理教科版必修2學(xué)案 實(shí)驗研究合外力做功和物體動能變化的關(guān)系

1、實(shí)驗：研究合外力做功和物體動能變化的關(guān)系閱讀教材第69頁“研究合外力做功和動能變化的關(guān)系”部分，知道此實(shí)驗的原理、器材、步驟、數(shù)據(jù)處理、注意事項。一、實(shí)驗原理由重物通過滑輪牽引小車，當(dāng)小車的質(zhì)量比重物大得多時，可以把重物所受的重力當(dāng)作小車受到的牽引力。如圖1所示。圖1測量重物的質(zhì)量(對應(yīng)小車受到的牽引力)，小車運(yùn)動的距離及對應(yīng)這段距離的初、末速度(小車質(zhì)量已知)，從而探究牽引力做的功與小車動能變化間的關(guān)系。二、實(shí)驗器材長木板(一端附有滑輪)、小車、小盤、砝碼若干、打點(diǎn)計時器、紙帶、復(fù)寫紙、刻度尺、細(xì)線、低壓交流電源。三、實(shí)驗步驟1平衡摩擦力：如圖1所示，將安裝有打點(diǎn)計時器的長木板一端墊高，把紙

2、帶的一端固定在小車后面，另一端穿過打點(diǎn)計時器，不掛重物，改變木板的傾角，使小車能做勻速運(yùn)動。2把細(xì)繩系在小車上并繞過定滑輪，懸掛小盤，在小盤里放入適量砝碼，使小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于砝碼和小盤的總質(zhì)量，小車在細(xì)繩的拉力作用下做勻加速運(yùn)動。3先接通電源，再放開小車(填“放開小車”或“接通電源”)，讓小車拖著紙帶運(yùn)動，打點(diǎn)計時器就在紙帶上打下一系列點(diǎn)。4重復(fù)以上實(shí)驗，選擇一條點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，由實(shí)驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論。四、數(shù)據(jù)處理1小車速度的測量：通過實(shí)驗獲得打點(diǎn)的紙帶，利用“勻變速直線運(yùn)動中，某段時間內(nèi)的平均速度等于該段時間中間時刻的瞬時速度”即vn計算紙帶上選定的點(diǎn)的速度。2外力做功的測量：確定所

3、掛鉤碼的重力G，即確定小車受到的合外力F(FG)，由紙帶測出位移，然后由WFx算出功的數(shù)值。3計算各數(shù)據(jù)中v2、mv2和相應(yīng)的合外力做功W的數(shù)值并填入下表。數(shù)據(jù)編號物理量123456速度v2/(m2·s2)動能mv2/J合外力做功W/J4比較各次實(shí)驗中合外力做的功和物體動能變化的數(shù)值，從而得到合外力對物體做的功和物體動能變化之間的關(guān)系。五、注意事項1平衡摩擦力時，不掛重物，輕推小車后，小車能做勻速直線運(yùn)動。2必須保證所掛小盤和砝碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。實(shí)驗原理及操作精典示例例1 某同學(xué)為探究“合力做功與物體動能變化的關(guān)系”，設(shè)計了如下實(shí)驗，他的操作步驟是：按圖2擺好實(shí)驗裝置，其中小

4、車質(zhì)量M0.20 kg，鉤碼總質(zhì)量m0.05 kg。釋放小車，然后接通打點(diǎn)計時器的電源(電源頻率為f50 Hz)，打出一條紙帶。圖2(1)他在多次重復(fù)實(shí)驗得到的紙帶中取出自認(rèn)為滿意的一條，如圖3所示。把打下的第一點(diǎn)記作0，然后依次取若干個計數(shù)點(diǎn)，相鄰計數(shù)點(diǎn)間還有4個點(diǎn)未畫出，用厘米刻度尺測得各計數(shù)點(diǎn)到0點(diǎn)距離分別為d10.004 m。d20.055 m，d30.167 m，d40.256 m，d50.360 m，d60.480 m，他把鉤碼重力(當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭9.8 m/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)，把打下第5點(diǎn)時小車動能作為小車動能的

5、改變量，算得Ek_。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)圖3(2)此次實(shí)驗探究的結(jié)果，他沒能得到“合力對物體做的功，等于物體動能的增量”，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，使得合力對物體做功的測量值比真實(shí)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(shí)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(shí)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解析(1)小車受到的合外力Fmg0.05×9.8 N0.49 N拉力對小車做的功WF·d50.49×0.360 J0.176 J小車打第

6、5個點(diǎn)時獲得的速度v5 m/s1.12 m/s小車動能的變化EkMv0.125 J答案(1)0.1760.125 J(2)AB實(shí)驗數(shù)據(jù)處理精典示例例2 某實(shí)驗小組利用拉力傳感器和速度傳感器研究合外力做功和動能變化的關(guān)系。如圖4所示，他們將拉力傳感器固定在小車上，用不可伸長的細(xì)線將其通過一個定滑輪與鉤碼相連，用拉力傳感器記錄小車受到拉力的大小。在水平桌面上相距50.0 cm的A、B兩點(diǎn)各安裝一個速度傳感器，記錄小車通過A、B時的速度大小。小車中可以放置砝碼。圖4(1)實(shí)驗主要步驟如下：測量_和拉力傳感器的總質(zhì)量M1；把細(xì)線的一端固定在拉力傳感器上，另一端通過定滑輪與鉤碼相連；正確連接所需電路。將

7、小車停在C點(diǎn)，接通電源，_，小車在細(xì)線拉動下運(yùn)動，記錄細(xì)線拉力及小車通過A、B時的速度。在小車中增加砝碼，重復(fù)的操作。(2)下表是他們測得的一組數(shù)據(jù)，其中M是M1與小車中砝碼質(zhì)量之和，|vv|是兩個速度傳感器所記錄速度的平方差，可以據(jù)此計算出動能變化量Ek，F(xiàn)是拉力傳感器受到的拉力，W是F在A、B間所做的功。表格中的Ek3_，W3_。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)次數(shù)M/kg|vv|/(m/s)2Ek/JF/NW/J10.5000.7600.1900.4000.20020.5001.6500.4130.8400.42030.5002.400Ek31.220W341.0002.4001.2002.42

8、01.21051.0002.8401.4202.8601.430(3)根據(jù)上表數(shù)據(jù)在圖5中作出EkW圖線。圖5答案(1)小車然后釋放小車(2)0.6000.610(3)如圖所示1在“探究恒力做功與動能改變的關(guān)系”實(shí)驗中(裝置如圖6)：圖6(1)下列說法中正確的是()A平衡摩擦力時必須將鉤碼通過細(xì)線掛在小車上B為減小系統(tǒng)誤差，應(yīng)使鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)大于小車質(zhì)量C實(shí)驗時，應(yīng)使小車靠近打點(diǎn)計時器并由靜止釋放(2)圖7是實(shí)驗中獲得的一條紙帶的一部分，選取O、A、B、C計數(shù)點(diǎn)，已知打點(diǎn)計時器使用的交流電頻率為50 Hz，則打B點(diǎn)時小車的瞬時速度大小為_m/s(保留三位有效數(shù)字)。圖7解析(1)平衡摩擦力的原理就

9、是在沒有拉力的情況下調(diào)整斜面傾角，使小車重力沿木板向下的分力平衡小車和紙帶所受阻力，不應(yīng)掛鉤碼，A錯；為減小系統(tǒng)誤差應(yīng)使鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，B錯；實(shí)驗時使小車靠近打點(diǎn)計時器能充分利用紙帶，由靜止釋放，則測出的動能即等于該過程的動能變化量，便于利用實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行探究，故選C。(2)據(jù)vB0.653 m/s可得打B點(diǎn)時小車的瞬時速度。答案(1)C(2)0.6532某同學(xué)利用圖8甲的實(shí)驗裝置做“探究合外力做功與動能變化之間的關(guān)系”的實(shí)驗。在盡量減小摩擦阻力的情況下，先接通打點(diǎn)計時器的電源，再釋放紙帶，讓質(zhì)量m1.00 kg 的重物由靜止下落，在紙帶上打出一系列的點(diǎn)，如圖乙所示，A、B、C分別為所選

10、取的計數(shù)點(diǎn)，且O為開始打出的第一點(diǎn)，OA之間有若干點(diǎn)未標(biāo)出，相鄰計數(shù)點(diǎn)的時間間隔為0.02 s，重力加速度g取9.80 m/s2。圖8(1)釋放紙帶前，紙帶的_(填“O”或“C”)端在上面。(2)重物從O運(yùn)動到B的過程中，動能的變化量Ek_J(取兩位有效數(shù)字)。(3)列舉一種能有效減小實(shí)驗誤差的做法_。解析(1)因紙帶打出的第一點(diǎn)是O點(diǎn)，故釋放紙帶前，紙帶的C端在上面。(2)B帶的速度v m/s1.16 m/s，動能的變化量Ekmv200.67 J。(3)減小實(shí)驗誤差的做法是多次測量取平均值。答案(1)C(2)0.67(3)多次測量取平均值3某實(shí)驗小組的同學(xué)欲“探究合外力做功與小車動能變化之間

11、的關(guān)系”，在實(shí)驗室設(shè)計了一套如圖9甲所示的裝置，圖中A為小車，B為打點(diǎn)計時器，C為彈簧測力計，P為小桶(內(nèi)有沙子)，一端帶有定滑輪的足夠長的木板水平放置，不計繩與滑輪的摩擦。實(shí)驗時，把長木板不帶滑輪的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?，以平衡摩擦力，先接通電源再松開小車，打點(diǎn)計時器在紙帶上打下一系列點(diǎn)。圖9(1)該同學(xué)在一條比較理想的紙帶上，從點(diǎn)跡清楚的某點(diǎn)開始記為零點(diǎn)，順次選取一系列點(diǎn)，分別測量這些點(diǎn)到零點(diǎn)之間的距離x，計算出它們與零點(diǎn)之間的速度平方差v2v2v，彈簧秤的讀數(shù)為F，小車的質(zhì)量為m，然后建立v2x坐標(biāo)系，通過描點(diǎn)法得到的圖像是一條過原點(diǎn)的直線，如圖乙所示，則這條直線的斜率的意義為_。(填寫表達(dá)

12、式)(2)若測出小車質(zhì)量為0.4 kg，結(jié)合圖像可求得小車所受合外力的大小為_N。(3)本實(shí)驗中是否必須滿足小桶(含內(nèi)部沙子)的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量_(填“是”或“否”)。解析根據(jù)v2v2ax可以知道圖像斜率表示2倍加速度大小，根據(jù)牛頓第二定律，亦即表示，若小車質(zhì)量為0.4 kg，結(jié)合圖像可知有：，F(xiàn)1 N，小車所受的合力可以知道其準(zhǔn)確數(shù)值，不需要取近似值，所以對小桶質(zhì)量和小車質(zhì)量關(guān)系沒有要求。答案(1)(2)1(3)否4在“探究動能定理的實(shí)驗”中，某實(shí)驗小組組裝了一套如圖10所示的裝置，拉力傳感器固定在小車上，一端與細(xì)繩相連，用拉力傳感器記錄小車受到拉力的大小。穿過打點(diǎn)計時器的紙帶與小車尾部

13、相連接，打點(diǎn)計時器打點(diǎn)周期為T，實(shí)驗的部分步驟如下：圖10(1)平衡小車所受的阻力：不掛鉤碼，調(diào)整木板右端的高度，用手輕推小車，直到打點(diǎn)計時器在紙帶上打出一系列_的點(diǎn)。(2)測量小車和拉力傳感器的總質(zhì)量M，按圖組裝好儀器，并連接好所需電路，將小車停在打點(diǎn)計時器附近，先接通拉力傳感器和打點(diǎn)計時器的電源，然后_ _，打出一條紙帶，關(guān)閉電源。(3)在打出的紙帶中選擇一條比較理想的紙帶如圖11所示，在紙帶上按打點(diǎn)先后順序依次取O、A、B、C、D、E等多個計數(shù)點(diǎn)，各個計數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)間的距離分別用hA、hB、hC、hD、hE表示，則小車和拉力傳感器在計時器打下D點(diǎn)時的動能表達(dá)式為_，若拉力傳感器的讀數(shù)為F，

14、計時器打下A點(diǎn)到打下D點(diǎn)過程中，細(xì)繩拉力對小車所做功的表達(dá)式為_。圖11(4)某同學(xué)以A點(diǎn)為起始點(diǎn)，以A點(diǎn)到各個計數(shù)點(diǎn)動能的增量Ek為縱坐標(biāo)，以A點(diǎn)到各個計數(shù)點(diǎn)拉力對小車所做的功W為橫坐標(biāo)，得到一條過原點(diǎn)的傾角為45°的直線，由此可以得到的結(jié)論是_。解析(1)當(dāng)打點(diǎn)計時器在紙帶上打出一系列間隔均勻的點(diǎn)時，小車做勻速直線運(yùn)動，受力平衡，即平衡摩擦力。(2)在組裝好實(shí)驗裝置的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)驗時應(yīng)先接通電源，再放開小車。(3)D點(diǎn)的瞬時速度等于CE段的平均速度，即vD，故打下D點(diǎn)時的動能為EkDmv；拉力對小車做的功為WF(hDhA)。(4)因圖線是一條過原點(diǎn)的直線，故可得結(jié)論：外力所做的

15、功，等于物體動能的變化量。答案(1)間距相等(2)釋放小車(3)F(hDhA)(4)外力所做的功，等于物體動能的變化量5某實(shí)驗小組利用如圖12所示的裝置探究功和動能變化的關(guān)系，他們將寬度為d的擋光片固定在小車上，用不可伸長的細(xì)線將其通過一個定滑輪與砝碼盤相連，在水平桌面上的A、B兩點(diǎn)各安裝一個光電門，記錄小車通過A、B時的遮光時間，小車中可以放置砝碼。(1)(多選)實(shí)驗中木板略微傾斜，這樣做的目的是()A為了使釋放小車后，小車能勻加速下滑B為了增大小車下滑的加速度C可使得細(xì)線拉力做的功等于合力對小車做的功D可使得小車在未施加拉力時能勻速下滑(2)將小車停在C點(diǎn)，在砝碼盤中放上砝碼，小車在細(xì)線拉

16、動下運(yùn)動，記錄此時小車及小車中砝碼的質(zhì)量之和為M，砝碼盤和盤中砝碼的總質(zhì)量為m，小車通過A、B時的遮光時間分別為t1、t2，則小車通過A、B過程中動能的變化量E_(用M、t1、t2、d表示)。圖12解析(1)為了使細(xì)線拉力充當(dāng)合力，即細(xì)線拉力做的功等于合力對小車做的功，應(yīng)先平衡摩擦力，摩擦力平衡好的檢測標(biāo)準(zhǔn)即：可使得小車在未施加拉力時做勻速直線運(yùn)動，故C、D正確。(2)小車通過A時的速度：vA小車通過B時的速度：vB；則小車通過A、B過程中動能的變化量EMvMvMd2()。答案(1)CD(2)Md2()6質(zhì)量為1 kg的重物自由下落，通過打點(diǎn)計時器在紙帶上記錄運(yùn)動的過程，打點(diǎn)計時器所接電源為6 V、50 Hz的交流電源。如圖13所示，紙帶上O點(diǎn)為重物自由下落時紙帶打點(diǎn)的起點(diǎn)，選取的計數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G依次間隔一個點(diǎn)(圖中未畫出)，紙帶上的數(shù)據(jù)表示各計數(shù)點(diǎn)與O點(diǎn)間的距離。圖13(1)求出B、C、D、E、F各點(diǎn)對應(yīng)的速度并填入下表。(結(jié)果保留兩位小數(shù))計數(shù)點(diǎn)BCDEF速度/(m·s1)(2)求出重物下落時從O點(diǎn)到B、C、D、E、F各點(diǎn)過程中重力所做的功，并填入下表(g取9.8 m/s2，結(jié)果保留兩位小數(shù))。計數(shù)點(diǎn)BCDEF功/J(3)適當(dāng)選擇坐標(biāo)軸，在圖14中作出重物重力做的功與重物速度的平方之間的關(guān)系圖像。圖中縱坐標(biāo)表示_