（浙江專版）2019版高考物理大一輪復習 第五章 機械能守恒定律 實驗7 探究做功與物體速度變化的關(guān)系學案

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1、 實驗7　探究做功與物體速度變化的關(guān)系(必考) [考綱解讀]　(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)體會探究的過程和所用的方法。 實驗原理 為了探究功與速度變化的關(guān)系，需要測量功和初、末兩個狀態(tài)的速度。在方案一中，功的大小等于小車所受的合力與小車位移的乘積，當懸掛重物的質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量及小車所受的阻力已被平衡時，功的大小約等于重物重力與小車位移的乘積。在方案二中，不需要測量功的具體數(shù)值，分別用1根、2根、3根…相同的橡皮筋時，橡皮筋對小車做功的大小分別是W、2W、3W…。這兩種方案中，小車獲得的速度都可利用打點計時器測量，然后通過圖象法找出功與速度變化的關(guān)系。

2、 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(m?M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運動為止。 (3)在小車前系好細線并通過滑輪掛

3、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。 (8)整理實驗器材。 方案二： (1)將打點計時器固定在長木板的一端，紙帶的一端夾在小

4、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，恰能使小車在長木板上勻速運動為止。 (2)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，記下小車的位置。接通打點計時器的電源，釋放小車。 (3)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。 (4)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。 (5)根據(jù)記錄的W、v數(shù)據(jù)，在坐標紙上作出合適的圖象。 (

5、6)整理實驗器材。 考點一　實驗原理和操作 1.平衡摩擦力：實驗中的小車不可避免地要受到摩擦力的作用，摩擦力對小車做負功，我們研究的是小車合外力的功與物體速度的關(guān)系，應設法排除摩擦力的影響，可采用將木板一端墊高的方法來實現(xiàn)。將木板一端墊高，使重力沿斜面方向的分力與摩擦力平衡，就能消除摩擦力的影響。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，即表明摩擦力已平衡。 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…實驗時，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都應保持一致。 3.在方案二中，打點計時器打出的紙帶上相鄰

6、各點的間距并不均勻，應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。 1.在用如圖所示的裝置做“探究功與速度變化的關(guān)系”的實驗時，下列說法正確的是________。 A.為了平衡摩擦力，實驗中可以將長木板的左端適當墊高，使小車拉著穿過打點計時器的紙帶自由下滑時能保持勻速運動 B.為簡便起見，每次實驗中橡皮筋的規(guī)格要相同，拉伸的長度要一樣 C.可以通過改變橡皮筋的條數(shù)來改變拉力做功的數(shù)值 D.可以通過改變小車的質(zhì)量來改變拉力做功的數(shù)值 E.實驗中要先釋放小車再接通打點計時器的電源 F.通過打點計時器打下的紙帶來測定小車加速過程中獲得的最大

7、速度 G.通過打點計時器打下的紙帶來測定小車加速過程中獲得的平均速度 解析　左端墊高利用小車的重力沿斜面向下的分力與摩擦力平衡來滿足橡皮筋做功是合力功。實驗中要求橡皮筋規(guī)格相同，拉伸長度相同即每個橡皮筋做功相等，所以只要通過改變橡皮筋條數(shù)就可以改變做功的數(shù)值，利用打點計時器時應該先接通電源再釋放紙帶。當橡皮筋松弛時，即加速結(jié)束時，小車做勻速運動，此時速度即為小車獲得的最大速度。 答案　ABCF 2.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

8、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______________________________ ________________________。 (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

9、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

10、勻加速運動，鉤碼重力大于細繩拉力 解析　(1)根據(jù)實驗原理可知，需要驗證mgx＝Mv2，同時根據(jù)運動學規(guī)律可知，此實驗中需要測量鉤碼質(zhì)量、小車質(zhì)量和位移，故還需要的器材有：刻度尺和天平；(2)分析小車受力可知，在平衡摩擦力的基礎(chǔ)上，使細繩與木板平行是為了讓細繩的拉力充當小車所受合外力，故選項D正確；(3)紙帶上打出的點較少，說明小車的加速度過大(即小車過快)，故可知減小鉤碼質(zhì)量或增加小車質(zhì)量(在小車上加上適量的砝碼)；(4)在此實驗中，根據(jù)牛頓第二定律可知，鉤碼的重力大于細繩的拉力，而實驗中用重力代替拉力會導致拉力做功大于小車動能增量；如果實驗未平衡或未完全平衡摩擦力也會導致拉力做功大于動能

11、增量，故選項C、D正確。 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 考點二　實驗數(shù)據(jù)處理 方案一： (1)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。 (2)功W的大小約等于重物重力與小車位移的乘積。 (3)根據(jù)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)實驗數(shù)據(jù)處理時，不直接計算

12、W和v的數(shù)值，而只是看第2次、第3次…實驗中的W和v是第1次的多少倍，簡化數(shù)據(jù)的測量和處理。 (2)以橡皮筋對小車做的功W為縱坐標，小車獲得的速度為橫坐標，以第一次實驗時做的功W為單位，作出圖象。用W－v2圖象處理實驗數(shù)據(jù)，比W－v圖象更加直觀、明了。 (1)平衡摩擦力不徹底或平衡過度也會造成誤差。 (2)橡皮筋的長度、粗細不一，使橡皮筋的拉力做的功與橡皮筋的條數(shù)不成正比。 (3)利用打上點的紙帶計算小車的速度時，測量不準帶來誤差。 1.“探究功與速度變化的關(guān)系”的實驗裝置如圖甲所示，當小車在一條橡皮筋作用下彈出時，橡皮筋對小車做的功記為W；當用2條、3條、4條……完全相同的

13、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2W、3W、4W……每次實驗中小車獲得的最大速度可由打點計時器所打出的紙帶測出。 甲 (1)關(guān)于該實驗，下列說法正確的是________。 A.打點計時器可以用干電池供電 B.實驗儀器安裝時，可以不平衡摩擦力 C.每次實驗小車必須從同一位置由靜止彈出 D.利用每次測出的小車最大速度vm和橡皮筋做的功W，依次作出W－vm、W－v、W－v，W2－vm、W3－vm……的圖象，得出合力做功與物體速度變化的關(guān)系。 (2)如圖乙所示，給出了某次實驗打出的紙帶，從中截取了測量小車最大速度所用的一段紙帶，測得A、B、C

14、、D、E相鄰兩點間的距離分別為AB＝1.48 cm，BC＝1.60 cm，CD＝1.62 cm，DE＝1.62 cm；已知相鄰兩點打點時間間隔為0.02 s，則小車獲得的最大速度vm＝________m/s。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 乙 解析　(1)打點計時器必須用交流電，A項錯誤；實驗儀器安裝時，必須平衡摩擦力，B項錯誤；每次實驗小車必須從同一位置由靜止彈出，C項正確；根據(jù)所得數(shù)據(jù)分別作出橡皮筋所做的功W與小車獲得的最大速度或小車獲得的最大速度的平方、立方等圖象，找出合力做的功與物體速度變化的關(guān)系，D項正確。 (2)小車獲得的最大速度v＝＝ m/s＝0.81 m/s。 答案　(1

15、)CD　(2)0.81 2.如圖所示是某研究性學習小組的同學做探究“橡皮筋做功和物體速度變化的關(guān)系”的實驗，圖中是小車在一條橡皮筋作用下彈出，沿木板滑行的情形。這時，橡皮筋對小車做功記為W。當用2條、3條、…、n條完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次、…、第n次實驗時，每次橡皮筋都被拉伸到同一位置釋放。小車每次實驗中獲得的速度可以由打點計時器所打的紙帶測出，圖甲為某次實驗中打出的紙帶。 (1)除了圖中已給出的實驗器材和電源外，還需要的器材有________________。 (2)實驗時為了使小車只在橡皮筋作用下運動，應采取的措施是_____________ ________

16、_______________________________________________________。 (3)每次實驗得到的紙帶上的點分布并不都是均勻的，為了測量小車最終獲得的末速度，應選用紙帶的________________部分進行測量。 (4)下面是本實驗的數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理表。 物理量數(shù)據(jù)實驗次數(shù) 橡皮筋 做的功 Wn(J) 10個間隔 均勻的點的 距離s(m) 10個間隔 均勻的點的 時間T(s) 小車獲得 的末速度 vn(m/s) 小車獲得的 末速度的平 方v(m2/s2) 1 W1＝W 0.200 0.2 1.00 1.0

17、0 2 W1＝2W 0.282 0.2 1.41 1.99 3 W3＝3W 0.300 0.2 1.50 2.25 4 W4＝4W 0.400 0.2 2.00 4.00 5 W5＝5W 0.458 0.2 2.24 5.02 從理論上講，橡皮筋做的功Wn與物體獲得的速度vn之間的關(guān)系是Wn∝________，請你運用表中的數(shù)據(jù)在如圖乙所示的坐標系中作出相應的圖象，以驗證理論的正確性。 解析　(1)要計算某點速度的大小，必須要測量紙帶上計數(shù)點間的距離，除了題圖中已給出的實驗器材和電源外，還需要的器材是刻度尺。 (2)實驗時為了使小車只在橡皮筋作用下運動，應采取的措施是把放打點計時器一端的木板墊起適當?shù)母叨纫云胶饽Σ亮Α? (3)小車最終做勻速運動，因此應選用相鄰兩計數(shù)點間隔相等的部分。 (4)根據(jù)動能定理可知，從理論上講，橡皮筋做的功Wn與物體獲得的速度vn之間的關(guān)系是Wn∝v；以Wn為縱坐標，以v為橫坐標，用描點作圖法作圖，圖象是過原點的直線，說明Wn∝v。 答案　(1)刻度尺　(2)把木板的左端墊起適當?shù)母叨纫云胶饽Σ亮Α?3)每相鄰兩點之間距離相等(或點分布均勻)　(4)v　圖象如圖所示 8