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1、实验五探究功与速度变化的关系 板块一主干梳理 夯实基础 实验原理与操作 实验目的 1、探究外力对物体做功与物体速度的关系. 2、通过实验数据分析 ,总结出做功与物体速度平方的正比关系. 实验原理 1、不是直接测量对小车做功,而是通过改变橡皮筋条数确定对小 车做功 W、2W、3W 2、由于橡皮筋做功而使小车获得的速度可以由纸带和打点计时 器测出 ,也可以用其他方法测出.这样 ,进行若干次测量 ,就得到若干组 功和速度的数据 . 3、以橡皮筋对小车做的功为纵坐标,小车获得的速度的平方为横 坐标,作出 W-v 2 曲线,分析这条曲线 ,可以得知橡皮筋对小车做的功与 小车获得的速度的定量关系. 实验器
2、材 小车(前面带小钩 )、100200 g 砝码、长木板 (在两侧适当的对称 位置钉两个铁钉 )、打点计时器、纸带、学生电源(使用电火花计时器 时不用学生电源 )、导线、 56 条等长的橡皮筋、刻度尺. 实验步骤 1、按如图所示将实验仪器安装好. 2、平衡摩擦力：在长木板的有打点计时器的一端下面垫一块木 板,反复移动木板的位置,直至小车上不挂橡皮筋时,轻推小车 ,纸带打 出的点间距均匀 ,即小车能匀速运动为止. 3、先用 1 条橡皮筋做实验 ,用打点计时器和纸带测出小车获得的 速度 v1,设此时橡皮筋对小车做的功为W,将这一组数据记入表格 . 4、 用 2 条橡皮筋做实验 ,实验中橡皮筋拉伸的
3、长度与第一次相同, 这时橡皮筋对小车做的功为2W,测出小车获得的速度v2,将数据记入 表格. 5、用 3 条、4 条橡皮筋做实验 ,用同样的方法测出功和速度, 记入表格 . 数据处理与误差分析 数据处理 1、测量小车的速度： 实验获得如图所示的纸带,为探究橡皮筋弹 力做的功和小车速度的关系,需要测量弹力做功结束时小车的速度,即 小车做匀速运动的速度,应在纸带上测量的物理量：A1、A2间的距离 x,小车速度的表达式是v x T(T 为打点计时器打点的时间间隔 ). 2、记录实验数据： 把计算出的速度填入表格中并算出v 2 的值. 橡皮筋 条数 位移 x/m 时间 t/s 速度 v/(m s 1)
4、 速度平方 v 2/(m2 s 2) 3、数据处理： 在坐标纸上 (如图所示 )画出 W-v 2 图线(“ W” 以一条 橡皮筋做的功为单位 ). 4、实验结论： 从图象分析外力对物体做功与物体速度变化的关 系为 Wv 2. 误差分析 1、误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一,使橡皮筋的拉力 做功 W 与橡皮筋的条数不成正比. 2、没有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力时倾角过大. 3、利用打上点的纸带计算小车的速度时,测量不准带来误差 . 类型产生原因减小方法 偶然 误差 小车速度的测量误 差 多次测量 x,求平 均值 摩擦力做功平衡摩擦力适当 系统 误差 橡皮筋的长度、 粗细 不一 选规格相同的
5、橡 皮筋 注意事项 1、平衡摩擦力：将木板一端垫高,使小车重力沿斜面向下的分力 与摩擦阻力平衡 .方法是轻推小车 ,由打点计时器打在纸带上的点的均 匀程度判断小车是否匀速运动,找到木板一个合适的倾角. 2、选点测速：测小车速度时 ,纸带上的点应选均匀部分的,也就是 选小车做匀速运动状态的区域来计算速度. 3、规格相同：橡皮筋规格相同时,力对小车做的功以一条橡皮筋 做的功为单位即可 ,不必计算出具体数值 . 4、 开始实验时 ,小车应靠近打点计时器 ,并且要先接通电源再释放 小车. 5、选择小车时 ,小车质量应适当大一些 ,使纸带上打的点多一些. 实验改进 1、本实验中物体运动速度可以使用速度传
6、感器直接采集,比用打 点计时器方便快捷且误差较小. 2、 可以把长木板换成气垫导轨,省略平衡摩擦力的操作步骤,达到 简化实验过程的目的 . 板块二考点细研 悟法培优 考点 1 对实验原理与实验步骤的理解 例 1某实验小组要探究力对物体做功与物体获得速度的关系, 选取的实验装置如图所示,实验主要步骤如下： (1)实验时 ,为使小车只在橡皮筋作用下运动,在未连接橡皮筋时 将木板的左端用小木块垫起,使木板倾斜合适的角度,打开打点计时器 , 轻推小车 ,得到的纸带应该是 _(填“甲”或“乙” ). (2)使小车在一条橡皮筋的作用下由静止弹出,沿木板滑行 ,这时 橡皮筋对小车做的功为W； (3)再用完全
7、相同的2 条、3 条橡皮筋作用于小车,每次由静止 释放小车时橡皮筋的_(填写相应实验条件),使橡皮筋对小车 做的功分别为 2W、3W (4)分析打点计时器打出的纸带,分别求出小车每次获得的最大速 度 v1、v2、v3 (5)作出 W-v 图象,则下列符合实际的图象是_. 尝试解答(1)乙(3)伸长量 (形变量,长度)都相同(5)D. (1)平衡摩擦力后 ,小车应做匀速直线运动 ,所以纸带应该是乙 . (3)为了使橡皮筋对小车做的功以倍数增加,每次橡皮筋形变量相 同. (5)由动能定理可知 W1 2mv 2,应选 D. 跟踪训练 某学习小组做“探究功与速度变化的关系”的实 验如图所示 ,图中小车
8、是在一条橡皮筋作用下弹出的,沿木板滑行 ,橡 皮筋对小车做的功记为W.当用 2 条、3 条完全相同的橡皮筋并在 一起进行第 2 次、第 3 次实验时 (每次实验中橡皮筋伸长的长度都 保持一致 ),每次实验中小车获得的速度根据打点计时器所打在纸带 上的点进行计算 . (1)除了图中已有的实验器材外,还需要导线、开关、刻度尺和 _(填“交流”或“直流” )电源. (2)实验中 ,小车会受到摩擦力的作用,可以使木板适当倾斜来平 衡摩擦力 ,则下面操作正确的是 () A、放开小车 ,能够自由下滑即可 B、放开小车 ,能够匀速下滑即可 C、放开拖着纸带的小车,能够自由下滑即可 D、放开拖着纸带的小车,能
9、够匀速下滑即可 (3)若木板水平放置,小车在两条橡皮筋作用下运动,当小车速度 最大时 ,关于橡皮筋所处的状态与小车所在的位置,下列说法正确的是 () A、橡皮筋处于原长状态 B、橡皮筋仍处于伸长状态 C、小车在两个铁钉的连线处 D、小车已过两个铁钉的连线 (4)在正确操作情况下,打在纸带上的点并不都是均匀的,为了测 量小车获得的速度,应选用纸带的 _部分进行测量 (根据如图 所示的纸带回答 ). 答案：(1)交流(2)D (3)B (4)GJ 解析：(1)打点计时器使用的是交流电源. (2)平衡摩擦力时 ,应将纸带穿过打点计时器,放开拖着纸带的小 车,小车能够匀速下滑即可,D 正确 . (3)
10、水平放置木板 ,放开小车后 ,小车做加速运动 ,当橡皮筋的拉力 大小等于摩擦力大小时,小车的速度最大 ,此时橡皮筋仍处于伸长状态, 小车没过两铁钉的连线,B 正确,A、C、D 错误. (4)从纸带上看 ,纸带的 GJ段打点比较均匀 ,所以应选用纸带的GJ 段进行测量 . 考点 2 实验数据的处理与误差分析 例 2如图所示为某学习小组做“探究功与速度变化的关系” 的实验装置 ,图中小车是在一条橡皮筋的作用下弹出,沿木板滑行 ,这 时,橡皮筋对小车做的功记为W.当用 2 条、3 条、完全相同的橡 皮筋并在一起进行第2 次、第 3 次、实验时 ,使每次实验中橡皮 筋伸长的长度都保持一致.每次实验中小
11、车获得的速度由打点计时器 所打的纸带测出 . 下面是本实验的数据记录表. 次数 橡皮筋 做的功 10 个间 隔距离 x(m) 10 个间 隔时间 T(s) 小车获得 的速度 vn(m/s) 小车获得速 度的平方 v 2 n(m 2/s2) 1W 0.28800.21.442.07 22W 0.41760.22.094.36 33W 0.48960.22.455.99 44W 0.59040.22.958.71 55W 0.64800.23.2410.50 请运用表中测定的数据在如图所示的坐标系中作出相应的图象, 得出的结论是 _ _ _. 尝试解答见解析： . 作出 W-v 2 n图象,如图所
12、示 .在误差允许的范围内 ,图线是过原点的 直线,说明 W 与 v 2 n成正比 . 跟踪训练 2017 甘肃兰州模拟 某同学为探究“合外力做功 与物体动能改变的关系”,设计了如下实验 ,操作步骤为： 按图 1 摆好实验装置 ,其中小车质量 M0.20 kg,钩码总质量 m 0.05 kg.先接通打点计时器的电源(电源频率为 f50 Hz),然后释 放小车 ,打出一条纸带 . (1)他在多次重复实验得到的纸带中选取出自认为满意的一条,如 图 2 所示,把打下的第一点记作0,选取点迹清晰的三个相邻计数点标 记为 1、2、3(相邻计数点间还有4 个点未画出 ),用刻度尺测得计数点 1、2、3 到
13、0 点的距离分别为d125.6 cm,d236.0 cm,d348.0 cm. 他把钩码重力作为小车所受合外力(g 取 9.8 m/s2),算出打下 0 点到打 下点 2过程中合力做功 W_J,把打下点 2时小车的动能作为 小车动能的改变量 ,算得 Ek_J.(结果保留三位有效数字) (2)根据此次实验探究的结果,他并没能得到“合外力对物体做的 功等于物体动能的增量”,且误差较大 .你认为产生这种情况的原因可 能是_( 写出一条即可 ). 答案：(1)0.1760.125(2)没有平衡摩擦力或钩码的质量没有 满足远小于小车的质量的条件 解析：(1)由题意 ,合力做功为 Wmgd20.176 J
14、；打下点 2 时 小车的速度 v2d 3d1 2T 1.12 m/s,此时小车的动能Ek 1 2Mv 2 20.125 J. (2)由于钩码重力做功大于小车动能增加量,其原因一定是合外力 小于钩码的重力 ,所以可能的原因是未平衡摩擦力或钩码的质量没有 满足远小于小车的质量的条件. 考点 3 创新实验设计 例 32017 湖北百所中学联考某学习小组的同学欲“探究小 车动能变化与合外力对它所做功的关系”,在实验室设计了如图所示 甲、乙两套装置 ,图中 A 为小车,B 为打点计时器 ,C 为弹簧测力计 ,P 为 小桶(内有沙子 ),一端带有定滑轮的足够长的木板水平放置. (1)如果忽略滑轮与绳间的摩擦,小组成员认为：甲图中弹簧秤 的示数即为小车受到的拉力大小； 乙图中弹簧秤示数的二倍为小车 受到的拉力大小 .请判断两种分析是否正确,若不正确 ,请指明并简要 说出不正确的原因 . _ _ . (2)选择了上述一种合理的方法后,要顺利完成该实验,除图中实 验仪 器和 低 压 交流 电 源 (含导 线 )外 ,还必 需 的 两个 实 验 仪器 是 _ 、_. (3)该实验中发现小车受到的阻力对实验结果影响较大,在长木板 保持水平的情况下,请你利用该装置测出小车受到的阻力,其方法是 _. (4)在上述实验操作中 ,打点计时器使用的交流电频率为50 Hz,某 同学打出的一段
