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1、第六节 实验：探究功与速度变化的关系,一、实验目的 体验和经历探究功与速度变化(或动能变化)关系过程 二、实验原理 让橡皮筋拉动小车运动一定的位移，通过改变橡皮筋的条数，改变拉力功的大小，看功的大小与物体速度(或动能)的变化成怎样的关系 三、实验器材 木板、小车、橡皮筋、打点计时器(或电火花计时器)、电源、纸带等,四、实验步骤 1按如图所示安装好实验仪器,2第一次先用一条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车获得的速度v1，设此时橡皮筋弹力对小车做功为W，并将得到的数据记入表格 3换用2条、3条、4条同样的橡皮筋做实验，并使橡皮筋拉伸的长度都和第一次相同，测出v2、v3、v4橡皮筋对小车做功
2、分别为2W、3W、4W将数据记入表格 4分析数据，尝试作Wv、Wv2等图象，探究W、v的关系,五、数据处理 1橡皮筋弹力的功的计算 由于橡皮筋弹力随其形变量而变，橡皮筋对小车的功无法用公式定量计算本实验巧妙地回避了功的计算如果一条橡皮筋对小车做功为W，则两条橡皮筋对小车做的功就是2W，三条橡皮筋对小车做功为3W，依次类推，各次实验中橡皮筋对小车的功都可以用W的倍数来表达,3功与速度关系 (1)通过试探与分析，确定W与v的关系 因为图象上的直线关系最容易判断两个物理量间的关系，所以可分别试探画出W与v、W与v2、W与v3、W与间关系的图象，找出哪一组的图象是直线，从而确定功与速度的正确关系 (2
3、)描点时既要观察各点的位置关系，又要考虑应有的函数关系，若拉力大，小车速度大，点数少，可能使W与v成线性关系，控制小车速度，加大纵坐标单位长度，可减少误差,六、注意事项 1本实验是利用橡皮筋的多少表示橡皮筋做功的大小，不需要求出每次做功的具体数值，因此所选用的橡皮筋要长度、粗细相同 2为了减小小车在运动中因受摩擦力带来的误差，可在长木板有打点计时器的一端下面垫一块木块，反复移动木块位置，直至小车在斜面上向下运动时可以保持匀速直线运动，此时重力沿斜面方向的分力与摩擦力平衡，这样可以消除摩擦力的影响,3在用纸带确定由于橡皮筋做功而使小车获得的速度时，应该是橡皮筋恢复形变以后小车的速度，所以在纸带上
4、应选用那些间距较大，且相对均匀的点来确定小车的速度 七、误差分析 误差来源：一是由于忘记平衡摩擦力或没有完全平衡摩擦力对实验的影响；二是橡皮筋长度、粗细不一，使得拉力及拉力的功与条数不成正比带来误差；三是纸带上点的间距测量也会带来误差 八、实验结论 通过作图发现Wv2图近似是一条直线，说明Wv2.,某学习小组做探究“合力做的功和物体速度变化的关系”的实验，如图所示，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n条完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次第n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车获得的速度由打点计时器所打
5、的纸带测出,(1)除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、刻度尺和_ (2)木板倾斜的目的是为了_,(3)若木板水平放置，小车在两条橡皮筋的作用下运动，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)；,(5)下面是本实验的数据记录表：,从理论上讲，橡皮筋做的功Wn和物体速度vn变化的关系应是Wn_.请运用表中测定的数据在图中所示的坐标纸
6、中作出相应的图象，并验证理论的正确性,解析：(1)要使打点计时器工作，还需要有电源 (2)木板倾斜的目的是为了使小车重力沿斜面方向的分力与摩擦力平衡，简单说就是平衡摩擦力 (3)若木板水平放置，小车速度最大时橡皮筋的拉力与摩擦力相等，则此时橡皮筋仍处于伸长状态，小车未到达两铁钉连线，所以正确选项为B. (4)计算小车获得的速度应在小车匀速运动阶段，因此应取GK段进行计算,(5)从理论上讲，橡皮筋做的功Wn和物体速度vn变化的关系应是Wnv.为了验证这个理论的正确性，取Wn为纵坐标，v为横坐标，用描点法作出图线如图所示，在误差允许的范围内，图象是经过原点的一条直线，说明Wn与v成正比,【题后总结
7、】描点作图的注意问题： (1)合理选取横、纵坐标(一般应使图线理论上为一直线)；(2)合理选取标度，根据题目中所给数据选取标度使所作图线大致占满整个坐标纸；(3)画直线(或光滑曲线)时要使各点均匀分布在图线的两侧，并尽量靠近图线；(4)能辨别明显误点并排除,【针对训练】1.下图中所示为与小车相连，穿过打点计时器的一条纸带，纸带上的点距并不都是均匀的，下面说法中正确的是( ) 纸带的左端是与小车相连的 纸带的右端是与小车相连的,利用E、F、G、H、I、J这些点之间的距离来确定小车的速度 利用A、B、C、D这些点之间的距离来确定小车的速度 A B C D 解析：小车先加速后匀速，加速时速度小，点子
8、密集，故纸带右端与小车相连，确定小车速度时，小车应匀速运动，故应该用A、B、C、D点确定小车速度，故选B. 答案：B,某同学在“探究功与速度变化的关系”实验中，设计了如图所示的实验将纸带固定在重物上，让纸带穿过电火花计时器先用手提着纸带，使重物静止在靠近计时器的地方然后接通电源，松开纸带，让重物自由下落，计时器就在纸带上打下一系列小点得到的纸带如图所示，O点为计时器打下的第1个点，该同学对数据进行了下列处理：取OAABBC，并根据纸带算出了A、B、C三点的速度分别为vA0.12 m/s，vB0.17 m/s，vC0.21 m/s.,根据以上数据你能否大致判断Wv2?,也可根据Wv2图象来判断，
9、如图 答案：见解析 【题后总结】(1)寻求物理量间关系常用作图法 (2)为直观寻求物理量间关系，应合理选取坐标来表示物理量，使图线为直线,【针对训练】 2.某同学利用如图所示装置探究功与速度变化关系，已知重锤质量为m，当地重力加速度为g.如图所示，打点时间间隔为T，该同学让重锤拖着纸带由静止下落，得到一条纸带如图，其中O点为初始位置，A、B、C、D、E各点到O点的距离分别为h1，h2，h3，h4，h5. 则：(1)从开始到C点，重力对重物做功为_ (2)物体在打C点时速度为_,1关于探究功与物体速度变化的关系实验中，下列叙述正确的是( ) A每次实验必须设法算出橡皮筋对小车做功的具体数值 B每
10、次实验中，橡皮筋拉伸的长度没有必要保持一致 C放小车的长木板应该尽量使其水平 D先接通电源，再让小车在橡皮筋的作用下弹出,解析：本实验没有必要测出橡皮筋做功的具体数值，只要测出以后各次实验时橡皮筋做的功是第一次的多少倍就足够了，选项A错每次实验橡皮筋拉伸的长度必须保持一致，只有这样才能保证以后各次实验时橡皮筋做的功是第一次的整数倍，否则，功的数值难以测定，选项B错小车运动中会受到摩擦阻力，应使木板倾斜到一定程度以平衡摩擦力，从而减小误差，选项C错实验时，应该先接通电源，让打点计时器开始工作，然后再让小车在橡皮筋的作用下弹出，选项D正确 答案：D,2在教材实验中，小车会受到阻力，可以使木板稍微倾
11、斜作为补偿，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，能够匀速下滑即可 解析：为了找到弹力做的功与物体获得的速度的关系，根据控制变量法，必须尽量避免其他力做功，或使其他力(当然包括纸带对小车的阻力)做的总功为零，所以正确选项为D. 答案：D,3某同学想利用自由落体运动“探究功与速度变化的关系”，实验中，下列四组物理量中需要直接或间接测量的量有( ) A重锤的质量 B重力加速度 C重锤下落的高度 D与重锤下落高度对应的重锤的瞬时速度 解析：物体受力不变，可以利用下落高度关系代表功的关系，所以
12、必须测量下落高度，再利用下落高度计算对应各点的瞬时速度，故C、D对，A、B错 答案：CD,4如图所示，小车的运动情况可描述为：A、B之间为_运动，C、D之间为_运动在探究功与速度关系的实验中应用_段测速度,解析：纸带上的数据反映了小车的运动情况由A到B之间可以看出，相邻两点间的位移越来越大，说明A到B这一段时间内小车所做的运动为加速运动，而C、D之间各时间间隔内的位移相等，故C、D之间小车的运动可看做匀速直线运动，所以测速度应用CD段 答案：加速 匀速直线 CD,5某同学为探究“恒力做功与物体动能改变的关系”，设计了如下实验，他的操作步骤是： 摆好实验装置如图所示,将质量为200 g的小车拉到
13、打点计时器附近，并按住小车 在质量为10 g、30 g、50 g的三种钩码中，他挑选了一个质量为50 g的钩码挂在拉线的挂钩P上 释放小车，打开电磁打点计时器的电源，打出一条纸带 (1)在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条，经测量、计算，得到如下数据：,第一个点到第N个点的距离为40.0 cm. 打下第N点时小车的速度大小为1.00 m/s.该同学将钩码的重力当做小车所受的拉力，算出拉力对小车做的功为_J，小车动能的增量为_J. (2)此次实验探究结果，他没能得到“恒力对物体做的功，等于物体动能的增量”，且误差很大显然，在实验探究过程中忽视了各种产生误差的因素请你根据该同学的实验装置
14、和操作过程帮助分析一下，造成较大误差的主要原因是：_.,(2)误差很大的可能原因： 小车质量不满足远大于钩码质量，使钩码的重力与小车受到的线的拉力差别较大； 没有平衡摩擦力； 先放小车后开电源，使打第一个点时，小车已有一定的初速度 答案：(1)0.196 0.100 (2)小车质量没有远大于钩码质量；没有平衡摩擦力；操作错误；先放小车后接通电源,6为了探究恒力作用时的功与速度关系，某同学做了如下实验，他让滑块在某一水平面上滑行，利用速度采集器获取其初速度v，并测量出不同初速度的最大滑行距离x，得到下表所示几组数据：,(1)一同学根据表中数据，作出xv图象如图甲所示观察该图象，该同学作出如下推理：根据xv图象大致是一条抛物线，可以猜想，x可能与v2成正比请在图乙所示坐标纸上选择适当的坐标轴作出图线验证该同学的猜想,(2)根据你所作的图象，你认为滑块滑行的最大距离x与滑块初速度平方v2的关系是_ _.,解析：(1)如图所示 (2)xv2图线是过原点的直线，所以滑块滑行的最大距离x与滑块初速度平方v2成正比 答案：见解析,
