2019版高考物理總復習 實驗創(chuàng)新增分 專題五 探究功與速度變化的關(guān)系學案

1、實驗五探究功與速度變化的關(guān)系一、實驗目的1通過實驗探究外力做功與物體速度變化的關(guān)系。2通過分析實驗數(shù)據(jù)，總結(jié)出外力做功與物體速度平方的正比關(guān)系。二、實驗原理1不是直接測量對小車做功，而是通過改變橡皮筋條數(shù)確定對小車做功W、2W、3W、。2由于橡皮筋做功而使小車獲得的速度可以由紙帶和打點計時器測出，也可以用其他方法測出。這樣，進行若干次測量，就得到若干組功和速度的數(shù)據(jù)。3以橡皮筋對小車做的功為縱坐標，分別以小車獲得的速度v、v2、為橫坐標，作出Wv、Wv2、曲線，分析這些曲線，可以得知橡皮筋對小車做的功與小車獲得的速度的定量關(guān)系。三、實驗器材小車(前面帶小鉤)、長木板(在兩側(cè)適當?shù)膶ΨQ位置釘兩個

2、鐵釘)、打點計時器、紙帶、學生電源、導線(若使用電火花計時器則不用學生電源)、5條同規(guī)格的橡皮筋及毫米刻度尺。四、實驗步驟1儀器安裝：(1)按實驗原理圖將儀器安裝好。(2)平衡摩擦力：在長木板有打點計時器的一端下面墊一木塊，反復移動木塊的位置，直至小車上不掛橡皮筋時，輕推小車，紙帶打出的點間距均勻，即小車能做勻速直線運動為止。2測量與記錄：(1)先用1條橡皮筋做實驗，用打點計時器和紙帶測出小車獲得的速度v1，設此時橡皮筋對小車做的功為W，將這一組數(shù)據(jù)記入表格。(2)用2條橡皮筋做實驗，實驗中橡皮筋拉伸的長度與第一次相同，這時橡皮筋對小車做的功為2W，測出小車獲得的速度v2，將數(shù)據(jù)記入表格。(3

3、)用3條、4條、橡皮筋做實驗，用同樣的方法測出功和速度，記入表格。五、數(shù)據(jù)處理1求速度：實驗獲得如圖所示紙帶，利用紙帶上點跡均勻的一段測出兩點間的距離，如紙帶上A、C兩點間的距離x，則v(其中T為打點周期)。2記數(shù)據(jù)：計算W、2W、3W、時對應v、v2的數(shù)值，填入表格。3作圖象：在坐標紙上分別作出Wv和Wv2圖線，從中找出功與速度變化的關(guān)系。4得結(jié)論：從圖象分析外力對物體做功與物體速度變化的關(guān)系為Wv2。六、誤差分析產(chǎn)生原因減小方法橡皮筋的長度、粗細不同選擇規(guī)格相同的橡皮條摩擦力做功平衡摩擦力適當小車速度的測量誤差多次測量x，求平均值七、注意事項1平衡摩擦力很關(guān)鍵，將木板一端墊高，使小車重力沿

4、斜面向下的分力與摩擦阻力平衡。方法是輕推小車，由打點計時器打在紙帶上的點的均勻程度判斷小車是否勻速運動，找到木板一個合適的傾角。2測小車速度時，紙帶上的點應選均勻部分的，也就是選對應小車做勻速直線運動狀態(tài)的那段紙帶。3橡皮筋應選規(guī)格一樣的。力對小車做的功以一條橡皮筋做的功為單位即可，不必計算出具體數(shù)值。4小車質(zhì)量應大一些，使紙帶上打的點多一些。考點1基礎實驗例1某同學現(xiàn)要用圖甲來“探究功與速度的關(guān)系”，打點計時器的打點頻率為50 Hz，試分析下列問題：(1)完成下列部分實驗步驟所缺的內(nèi)容：安裝好實驗器材，開始小車先不掛鉤碼，需要對小車進行_的實驗操作。給小車掛上鉤碼進行實驗。圖乙是從多次實驗中

5、選出的一條紙帶置于一透明刻度尺上。在紙帶上選擇起始點O及A、B、C、D、E、F七個計數(shù)點，可獲得各計數(shù)點到O的距離s，由圖乙讀得O到C點的位移為s3_cm。由圖乙求出小車在各計數(shù)點的瞬時速度的大小v1、v2、v5，則在打點計時器打下C點時小車的速度為v3_m/s。(2)由圖乙可知小車在此次實驗時的加速度大小為a_m/s2。(3)計算出打點計時器打下A、B、E時小車瞬時速度的平方 v、v，然后分別求出v、v與v的差值v、v、v，最后計算出小車通過sAB、sBC、sDE的位移時鉤碼重力對小車做的功W1、W2、W4，最后得到了如圖丙所示的v2W圖象。通過圖象可得到的結(jié)論是_ _。(4)若圖線的斜率k

6、18，則小車的質(zhì)量M_kg(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。解析(1)本實驗在實驗前首先要對小車進行平衡摩擦力的操作。sABs2s11.65 cm，sBCs3s2s33.20，sDEs5s42.25 cm，sEFs6s52.45 cm。根據(jù)勻變速直線運動規(guī)律saT2知sBCsABsEFsDE，代入數(shù)據(jù)得s35.05 cm。由勻變速直線運動規(guī)律可得vC cm/s0.49 m/s。(2)由逐差法可得a cm/s21.15 m/s2。(3)合外力對物體做的功等于物體動能的變化量。(4)由動能定理可得WMv2，由此可知圖象的斜率為k，由此可求出小車的質(zhì)量為M。代入數(shù)據(jù)可求出小車的質(zhì)量為M kg0.111 kg

7、。答案(1)平衡摩擦力5.035.07(在這個范圍內(nèi)都對)0.49(2)1.15(3)合外力對物體做的功等于物體動能的變化量(4)0.111(1)為使橡皮筋的拉力所做的功為合外力對小車所做的功，必須平衡小車的摩擦力。(2)利用小車拖著紙帶，小車做勻速直線運動則摩擦力才算被平衡，此操作一是可通過紙帶觀察小車是否勻速，二是可同時平衡紙帶運動所受的阻力。(3)橡皮筋恢復原長時小車已做勻速直線運動，故應利用紙帶上間距相等的部分計算小車速度。(4)利用v計算小車的速度，為減小測量誤差，所選的范圍應盡量長些，如本題可選AE段求vC。(5)注意刻度尺的精度、估讀及單位，注意對結(jié)果有效數(shù)字的要求。某學習小組做

8、探究“合力的功和物體速度變化關(guān)系”的實驗如圖所示，圖中小車是在一條橡皮筋作用下彈出，沿木板滑行，這時，橡皮筋對小車做的功記為W。當用2條、3條完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次實驗時，使每次實驗中橡皮筋伸長的長度都保持一致。每次實驗中小車獲得的速度由打點計時器所打的紙帶測出。(1)除了圖中已有的實驗器材外，還需要導線、開關(guān)、刻度尺和_電源(填“交流”或“直流”)。(2)實驗中，小車會受到摩擦阻力的作用，可以使木板適當傾斜來平衡摩擦阻力，則下面操作正確的是_。A放開小車，能夠自由下滑即可B放開小車，能夠勻速下滑即可C放開拖著紙帶的小車，能夠自由下滑即可D放開拖著紙帶的小車，能夠勻速下滑即

9、可(3)若木板水平放置，小車在兩條橡皮筋作用下運動，當小車速度最大時，關(guān)于橡皮筋所處的狀態(tài)與小車所在的位置，下列說法正確的是_。A橡皮筋處于原長狀態(tài)B橡皮筋仍處于伸長狀態(tài)C小車在兩個鐵釘?shù)倪B線處D小車已過兩個鐵釘?shù)倪B線答案(1)交流(2)D(3)B解析(1)打點計時器使用的是交流電源。(2)小車受到重力、支持力、摩擦力和橡皮筋的拉力，要使拉力等于合力，必須使重力的下滑分力與摩擦力平衡，而摩擦力包括紙帶受到的摩擦力和與長木板間的摩擦力，故選D。(3)木板水平放置，小車受摩擦力作用，小車速度最大時，合力為零，即橡皮筋的拉力等于摩擦力，橡皮筋處于伸長狀態(tài)，未過兩個鐵釘?shù)倪B線，B正確?？键c2創(chuàng)新實驗創(chuàng)

10、新實驗也是以完成實驗為目的，創(chuàng)新思路和驗證牛頓第二定律的創(chuàng)新思路相似。1實驗器材的創(chuàng)新(1)利用氣墊導軌替代長木板，摩擦阻力可以忽略不計，實驗中不必再平衡滑塊的摩擦力。(2)利用光電門測量滑塊運動的速度更準確。(3)利用力傳感器測量細繩的拉力更方便。2實驗原理的創(chuàng)新(1)實驗研究滑塊通過兩光電門之間的過程中合外力做功與動能改變量的關(guān)系，研究對象為滑塊、擋光條和拉力傳感器整體。(2)因用拉力傳感器直接測細繩拉力大小，故不必滿足砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量。3實驗的遷移也可利用驗證機械能守恒定律的實驗裝置來驗證動能定理或功與動能的關(guān)系。例2為了“探究動能改變與合外力做

11、功的關(guān)系”，某同學設計了如下實驗方案：第一步：把帶有定滑輪的木板有滑輪的一端墊起，把質(zhì)量為M的滑塊通過細繩與質(zhì)量為m的帶夾重錘跨過定滑輪相連，重錘后連一穿過打點計時器的紙帶，調(diào)整木板傾角，直到輕推滑塊后，滑塊沿木板向下勻速運動，如圖甲所示。第二步：如圖乙所示，保持長木板的傾角不變，將打點計時器安裝在長木板靠近滑輪處，取下細繩和重錘，將滑塊與紙帶相連，使紙帶穿過打點計時器，然后接通電源，釋放滑塊，使之從靜止開始向下加速運動，打出紙帶，打出的紙帶如圖丙所示。請回答下列問題：(1)已知O、A、B、C、D、E、F相鄰計數(shù)點間的時間間隔為t，根據(jù)紙帶求滑塊運動的速度，打點計時器打B點時滑塊運動的速度vB

12、_。(2)已知重錘質(zhì)量為m，當?shù)氐闹亓铀俣葹間，要測出某一過程合外力對滑塊做的功還必須測出這一過程滑塊_(寫出物理量名稱及符號，只寫一個物理量)，合外力對滑塊做功的表達式W合_。(3)算出滑塊運動OA、OB、OC、OD、OE段合外力對滑塊所做的功W以及在A、B、C、D、E各點的速度v，以v2為縱軸、W為橫軸建立直角坐標系，描點作出v2W圖象，可知該圖象是一條_，根據(jù)圖象還可求得_。解析(1)由打出的紙帶可知B點的速度為vB。(2)設長木板的傾角為，滑塊與長木板間摩擦力為f，當滑塊向下勻速運動時，有Mgsinfmg；當滑塊向下加速運動時，有F合Mgsinfmg。由做功定義式可知還需要知道滑塊下

13、滑的位移x，由動能定理可知W合Ek，即mgxEk。(3)根據(jù)W合EkMv2可知v2W圖象應該為一條過原點的直線，由直線的斜率k可求M。答案(1)(2)下滑的位移xmgx(3)過原點的直線滑塊的質(zhì)量M(1)找出實驗有哪些改進，對比和原實驗的不同，找出改進存在的優(yōu)勢。(2)近幾年高考考查“探究功與速度變化關(guān)系”，有時不用橡皮筋可以利用彈簧代替，還可以借助“探究功與速度變化關(guān)系”的實驗，測定其他物理量，比如，動摩擦因數(shù)、質(zhì)量、功率等問題。(2017廣州模擬)用如圖甲所示的實驗裝置完成“探究功與速率變化關(guān)系”實驗。請補充完整下列實驗步驟的相關(guān)內(nèi)容：(1)用天平測量小車和遮光片的總質(zhì)量M、砝碼盤的質(zhì)量m

14、0；用游標卡尺測量遮光片的寬度d，游標卡尺的示數(shù)如圖乙所示，其讀數(shù)為_cm；按圖甲所示安裝好實驗裝置，用米尺測量兩光電門之間的距離s。(2)在砝碼盤中放入適量砝碼；適當調(diào)節(jié)長木板的傾角，直到輕推小車，遮光片先后經(jīng)過光電門A和光電門B的時間相等。(3)取下細線和砝碼盤，記下_(填寫相應物理量及其符號)。(4)讓小車從靠近滑輪處由靜止釋放，用數(shù)字毫秒計時器分別測出遮光片經(jīng)過光電門A和光電門B所用的時間tA和tB。(5)步驟(4)中，小車從光電門A下滑至光電門B過程合外力做的總功W合_，小車動能變化量Ek_(用上述步驟中的物理量表示，重力加速度為g)，比較W合和Ek的值，找出兩者之間的關(guān)系。(6)重

15、新掛上細線和砝碼盤，改變砝碼盤中砝碼質(zhì)量，重復(2)(5)步驟。(7)本實驗中，以下操作或要求是為了減小實驗誤差的是_。A盡量減小兩光電門間的距離sB調(diào)整滑輪，使細線與長木板平行C砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量答案(1)0.520(3)砝碼盤中砝碼的質(zhì)量m(5)(mm0)gsM2M2(7)B解析(1)由于游標卡尺是20分度，所測遮光片的寬度應是主尺讀數(shù)與游標尺兩讀數(shù)之和，即5 mm40.05 mm5.20 mm0.520 cm。(3)在砝碼盤中放入適量砝碼，適當調(diào)節(jié)長木板的傾角，直到輕推小車，遮光片先后經(jīng)過光電門A和光電門B的時間相等，這一步的目的是使取下細線和砝碼盤后小車運動所受合外力

16、等于砝碼和砝碼盤的重力(mm0)g，所以當取下細線和砝碼盤時，記下砝碼盤中砝碼的質(zhì)量m。(5)小車從光電門A下滑至光電門B過程中合外力做的總功W合(mm0)gs，小車動能變化量EkM2M2，比較W合和Ek的值，找出兩者之間的關(guān)系。(7)盡量減小兩光電門間的距離s，會增大誤差，A錯誤；調(diào)整滑輪，使細線與長木板平行，這樣細線拉力等于小車做加速運動時受到的合外力，有利于減小誤差，B正確；本實驗沒有用砝碼和砝碼盤的重力代替細線的拉力，故不需要滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量，C錯誤。1(2017湖南四校聯(lián)考)某實驗小組要探究力對物體做的功與物體獲得的速度的關(guān)系，選取的實驗裝置如圖所示。(1)實

17、驗時，在未連接橡皮筋時將木板的左端用小木塊墊起，使木板傾斜合適的角度，打開打點計時器，輕推小車，最終得到如圖甲所示的紙帶，這樣做的目的是_ _。(2)在正確操作的情況下，打在紙帶上的點并不都是均勻分布的，為了計算小車獲得的速度，應選用圖乙紙帶的_(填“AF”或“FI”)部分。(3)小車在一條橡皮筋的作用下由某位置靜止彈出，沿木板滑行，當小車的速度最大時，橡皮筋對小車做的功為W。再用完全相同的2條、3條、n條橡皮筋作用于小車上，每次在_(填“相同”或“不相同”)的位置由靜止釋放小車，使橡皮筋對小車做的功分別為2W、3W、nW。(4)分析打點計時器打出的紙帶，分別求出小車每次獲得的最大速度v1、v

18、2、v3、vn，作出Wv圖象。則下列符合實際的圖象是_(填字母序號)。答案(1)平衡摩擦力(2)FI(3)相同(4)D解析(1)紙帶上打出的點跡均勻，說明小車做勻速直線運動，這樣做的目的是平衡摩擦力。(2)紙帶在橡皮筋的拉力作用下做加速運動，橡皮筋做功完畢后，小車的速度達到最大，之后做勻速直線運動，因此勻速直線運動時的速度即為該過程中小車的最大速度，故為了測量小車獲得的速度，應選用紙帶上點跡均勻分布的部分測量，即FI。(3)橡皮筋的拉力為變力，采用倍增法增加功，使小車在一條橡皮筋的作用下由靜止彈出，當小車的速度最大時，橡皮筋對小車做的功為W；再用完全相同的2條、3條、n條橡皮筋作用于小車上，每

19、次由靜止釋放小車時橡皮筋的伸長量都相同，使橡皮筋對小車做的功分別為2W、3W、nW，所以每次應在相同的位置由靜止釋放小車。(4)功與速度的平方相對應，所以圖象應為D。2(2017北京高考)如圖1所示，用質(zhì)量為m的重物通過滑輪牽引小車，使它在長木板上運動，打點計時器在紙帶上記錄小車的運動情況。利用該裝置可以完成“探究動能定理”的實驗。圖1(1)打點計時器使用的電源是_(選填選項前的字母)。A直流電源 B交流電源(2)實驗中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正確操作方法是_(選填選項前的字母)。A把長木板右端墊高 B改變小車的質(zhì)量在不掛重物且_(選填選項前的字母)的情況下，輕推一下小車。若小車拖著紙帶做

20、勻速運動，表明已經(jīng)消除了摩擦力和其他阻力的影響。A計時器不打點 B計時器打點(3)接通電源，釋放小車，打點計時器在紙帶上打下一系列點，將打下的第一個點標為O。在紙帶上依次取A、B、C若干個計數(shù)點，已知相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T。測得A、B、C各點到O點的距離為x1、x2、x3如圖2所示。圖2實驗中，重物質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量，可認為小車所受的拉力大小為mg。從打O點到打B點的過程中，拉力對小車做的功W_，打B點時小車的速度v_。(4)以v2為縱坐標，W為橫坐標，利用實驗數(shù)據(jù)作出如圖3所示的v2W圖象。由此圖象可得v2隨W變化的表達式為_。根據(jù)功與能的關(guān)系，動能的表達式中可能包含v2這個因子；分析實

21、驗結(jié)果的單位關(guān)系，與圖線斜率有關(guān)的物理量應是_。圖3(5)假設已經(jīng)完全消除了摩擦力和其他阻力的影響，若重物質(zhì)量不滿足遠小于小車質(zhì)量的條件，則從理論上分析，圖4中正確反映v2W關(guān)系的是_。答案(1)B(2)AB(3)mgx2(4)v24.7W(4.5W5.0W均認為正確)質(zhì)量(5)A解析(1)打點計時器使用交變電流，故應選B。(2)平衡摩擦力和其他阻力時采用墊高長木板右端，使小車的重力的分力與摩擦力及其他阻力平衡，阻力包含了打點時振針與紙帶之間的摩擦，故需要在打點狀態(tài)下判斷是否達到平衡要求。(3)由做功公式知：Wmgx2；利用勻變速直線運動中間時刻的速度等于這段時間內(nèi)的平均速度知，B點速度等于A

22、C段的平均速度，即vB。(4)根據(jù)圖線，關(guān)系式寫為v2kWb，在直線上取兩點，如(1.4102,0.07)(8102,0.38)，代入上式，解得k4.7，b0.004，在作圖誤差允許的范圍內(nèi)，表達式可寫為v24.7W。把功的單位用基本單位表示，JNmkgm2s2，容易得出與圖線斜率有關(guān)的物理量單位為kg1，故與圖線斜率有關(guān)的物理量應是質(zhì)量。(5)若重物質(zhì)量m不滿足遠小于小車質(zhì)量M，則繩子對小車的拉力F實際不等于重物的重力，由mg(Mm)a和FMa知Fmg，由動能定理得：FxMv20即mgxMv2，而Wmgx，代入整理可得v2W，則實際v2W圖線的斜率k不變，所以v2W圖線是一條過原點的直線，選

23、項A正確。3(2014天津高考)某同學把附有滑輪的長木板平放在實驗桌上，將細繩一端拴在小車上，另一端繞過定滑輪，掛上適當?shù)你^碼，使小車在鉤碼的牽引下運動，以此定量探究繩拉力做功與小車動能變化的關(guān)系。此外還準備了打點計時器及配套的電源、導線、復寫紙、紙帶、小木塊等。組裝的實驗裝置如圖所示。(1)若要完成該實驗，必需的實驗器材還有哪些_。(2)實驗開始時，他先調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度，使牽引小車的細繩與木板平行。他這樣做的目的是下列的哪個_(填字母代號)。A避免小車在運動過程中發(fā)生抖動B可使打點計時器在紙帶上打出的點跡清晰C可以保證小車最終能夠?qū)崿F(xiàn)勻速直線運動D可在平衡摩擦力后使細繩拉力等于小車受的

24、合力(3)平衡摩擦力后，當他用多個鉤碼牽引小車時，發(fā)現(xiàn)小車運動過快，致使打出的紙帶上點數(shù)較少，難以選到合適的點計算小車速度。在保證所掛鉤碼數(shù)目不變的條件下，請你利用本實驗的器材提出一個解決方法：_ _。(4)他將鉤碼重力做的功當作細繩拉力做的功，經(jīng)多次實驗發(fā)現(xiàn)拉力做功總是要比小車動能增量大一些。這一情況可能是下列哪些原因造成的_(填字母代號)。A在接通電源的同時釋放了小車B小車釋放時離打點計時器太近C阻力未完全被小車重力沿木板方向的分力平衡掉D鉤碼做勻加速運動，鉤碼重力大于細繩拉力答案(1)刻度尺、天平(包括砝碼)(2)D(3)可在小車上加適量的砝碼(或鉤碼)(4)CD解析(1)實驗要通過紙帶

25、測速度，需要刻度尺，要分析動能的變化，必須要測出小車的質(zhì)量，因此還需要天平。(2)實驗中調(diào)節(jié)定滑輪的高度，使細繩與木板平行，可在平衡摩擦力后使細繩的拉力等于小車所受的合力，如果不平行，細繩的拉力在垂直于木板的方向上就有分力，改變了摩擦力就不能使細繩拉力等于小車所受的合力，D正確。(3)在所掛鉤碼個數(shù)不變的情況下，要減小小車運動的加速度，可以增大小車的質(zhì)量，即可在小車上加適量的砝碼(或鉤碼)。(4)如果用鉤碼重力做的功當作細繩拉力做的功，發(fā)現(xiàn)拉力做的功總比小車動能的增量大，原因可能是阻力未被完全平衡掉，因此拉力做功一部分用來增大小車動能，一部分用來克服阻力做功；也可能是鉤碼做加速運動，因此細繩的

26、拉力小于鉤碼的重力，鉤碼的重力做的功大于細繩的拉力做的功，即大于小車動能的增量，C、D正確。4(2017深圳模擬)某同學用如圖1所示裝置來探究“功與速度變化關(guān)系”，得到一條如圖2所示的紙帶，O點為第一個點，并在紙帶清晰段依次標記了A、B、C三個點，用毫米刻度尺測得各點到O點的距離如圖，重物質(zhì)量m1.00 kg。(1)電火花打點計時器應選擇以下哪種電源_。A46 V、50 Hz交流電源B220 V、50 Hz交流電源(2)從O點到B點，重物的重力做功WG_J，動能的增加量Ek_J。(g取10 m/s2，結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)答案(1)B(2)7.787.59解析(1)電火花打點計時器使用220 V、50 Hz的交流電源，B正確。(2)從O點到B點，重物的重力做功WGmgh1.00100.7776 J7.78 JB點的速度vB m/s3.895 m/s，B點的動能EkBmv7.59 J動能的增加量EkEkB07.59 J。5某實驗小組利用圖示裝置進行“探究功與速度變化關(guān)系”的實驗，實驗步驟如下：A掛上鉤碼，調(diào)節(jié)長木板的傾角，輕推小車后，使小車能沿長木板向下做勻速運動；B打開速度傳感器，取下輕繩和鉤碼，保持A中調(diào)節(jié)好的長木板傾角不變，讓小車從長木板頂端靜止下滑，分別記錄小車通過速度傳感器1和速度傳感器2時的速