高中物理实验（7）探究做功与物体速度变化的关系课件.ppt

实验(7):探究做功与物体速度变化的关系一、实验原理图方案一方案二二、基本实验要求1.实验目的(1)通过实验探究力对物体做的功与物体速度变化的关系。(2)通过实验数据分析,总结出做功与物体速度二次方的正比关系。2.实验原理方案一:由重物提供牵引力如图,由重物通过滑轮牵引小车,当小车的质量比重物大得多时,可以把重物所受的重力当作小车受到的牵引力,小车运动的距离可以由纸带测出,改变重物的质量或者改变小车运动的距离,也就改变了牵引力做的功。方案二:由橡皮筋提供牵引力如图,第一次使小车在一根橡皮筋作用下弹出。第二次、第三次操作时分别改用2根、3根同样的橡皮筋,并使小车从同样的位置被弹出,那么橡皮筋对小车做的功一定是第一次的2倍、3倍测出小车被弹出后的速度,能够找到牵引力对小车做的功与小车速度变化的关系。3.实验器材方案一:重物(小盘中放砝码或砂桶中盛砂)、打点计时器、小车、纸带、复写纸、电源、导线、刻度尺、一端带有滑轮的长木板、带小钩的细线等。方案二:橡皮筋若干根(材质、长短、粗细均相同)、打点计时器、小车、纸带、复写纸、电源、导线、刻度尺、木板、铁钉等。4.实验步骤方案一:(1)用天平测出重物的质量m(mM车),将数据记录在表中。(2)将打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端,纸带的一端夹在小车后端,另一端穿过打点计时器,将长木板安装有打点计时器的一端适当垫高,调整高度,直至轻推小车后,恰能使小车在木板上做匀速直线运动为止。(3)在小车前系好细线并通过滑轮挂上重物,将小车置于靠近打点计时器处,接通打点计时器电源,释放小车。(4)改变重物质量,重做上述实验。(5)如图所示,将纸带上的第一个点记为计数点O,再在纸带的后端选择连续的5个打印点分别记为计数点1、2、3、4、5,分别测出计数点1、2、3、4、5至计数点O的距离(即小车的位移l),并利用打上点的纸带,测出打各计数点时小车的速度v,将实验数据记录在表中。(6)将计算得到的功W记录在表格中。(7)根据记录的W、v数据,在坐标纸上作出合适的图象,两次实验可以在同一坐标系中作出两条图线。方案二:(1)选择确定本实验的探究方案。(2)平衡摩擦力:在长木板有打点计时器的一端下面垫一块小木板,反复移动小木板的位置,直至小车不受牵引时,纸带打出的点间距均匀。(3)将橡皮筋的一端固定在长木板前端的铁钉上,另一端固定在小车前端的钩子上,将小车置于靠近打点计时器处,接通打点计时器的电源,释放小车。(4)用2根、3根、4根、5根相同的橡皮筋分别代替1根橡皮筋重做实验,保证每次释放小车的位置相同,即橡皮筋被拉长的长度相同。(5)在上述实验中打出的5条纸带上分别找出小车近似做匀速运动的点,并分别求出匀速运动时的速度v,将实验数据记录在表中。(6)根据记录的W、v数据,在坐标纸上作出合适的图象。(7)整理实验器材。5.数据处理图象法处理实验数据,探究做功与物体速度变化的关系。6.注意事项(1)平衡摩擦力:为防止摩擦力对实验的影响,我们应设法排除摩擦力的影响,可将木板一端垫高,使重力沿斜面方向的分力与摩擦力平衡,从而消除摩擦力的影响。判断已平衡掉摩擦力的方法是轻推一下小车,观察到小车不受其他力时能在木板上匀速运动。(2)在方案二中,我们用2根、3根相同的橡皮筋进行第2次、第3次实验,每次实验时使小车从同一地点静止释放,使橡皮筋伸长的长度保持一致。(3)在方案二中,打点计时器打出的纸带上相邻各点的间距并不均匀,应选间距均匀的那一段纸带来计算小车的速度,因为这一段是橡皮筋对小车做功完毕时的情形。考点1考点2考点3考点1实验原理和操作典例典例1如图所示,在“探究功与物体速度变化的关系”的实验中,(1)下列说法正确的是。A.为减小实验误差,长木板应水平放置B.实验中需要算出橡皮筋做功的具体数值C.通过增加橡皮筋的条数可以使橡皮筋对小车做的功成整数倍增加D.小车在橡皮筋拉力作用下做匀加速直线运动,当橡皮筋恢复原长后,小车做匀速运动考点1考点2考点3(2)用该装置实验时,不可缺少的操作是。A.测出小车的质量B.测出橡皮筋的伸长量C.用量角器测出长木板的倾角D.改变橡皮筋条数后将小车从同一位置释放 答案解析解析关闭(1)为使橡皮筋做的功为合力的功,必须平衡摩擦力,故A错;本实验用橡皮筋对小车做功的整数倍来进行研究,故B项错,C项正确;橡皮筋的力是变力,小车在橡皮筋拉力作用下做的不是匀变速直线运动,故D错。(2)该实验中小车的质量、橡皮筋的伸长量及长木板的倾角都不需要测量,故选D。答案解析关闭(1)C(2)D考点1考点2考点3考点2实验数据处理典例典例2“探究弹力做功与速度变化的关系”的实验装置如图所示,当小车在两条橡皮筋作用下弹出时,橡皮筋对小车做的功记为W0。当用4条、6条、8条完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、第4次实验时,橡皮筋对小车做的功记为2W0、3W0、4W0每次实验中由静止弹出的小车获得的最大速度均可由打点计时器所打的纸带测出。考点1考点2考点3(1)关于该实验,下列说法正确的是。A.打点计时器可以用直流电源供电,电压为46VB.实验中使用的若干根橡皮筋的原长可以不相等C.每次实验中应使小车从同一位置由静止弹出D.利用每次测出的小车最大速度vmax和橡皮筋做的功W,依次作出的图象,得出合力做功与物体速度变化的关系考点1考点2考点3(2)如图给出了某次在正确操作情况下打出的纸带,从中截取了测量物体最大速度所用的一段纸带,测得O点到A、B、C、D、E各点的距离分别为OA=5.65cm,OB=7.12cm,OC=8.78cm,OD=10.40cm,OE=11.91cm。已知相邻两点时间间隔为0.02s,则小车获得的最大速度vmax=m/s。考点1考点2考点3解析:(1)打点计时器只能用电压为46V的交流电源供电,选项A错误;实验中使用的若干根橡皮筋的原长必须相等,否则实验误差太大,甚至出现错误,选项B错误;每次实验都应使小车从同一位置由静止弹出,才能保证橡皮筋的形变量相同,选项C正确;利用图象可以减小实验误差,能更直观地反映出合力做功与物体速度变化的关系,选项D正确。(2)由图及所给数据可知小车一定在BC间获得最大速度,所以答案:(1)CD(2)0.83考点1考点2考点3典例典例3某同学为探究“合力做功与物体速度变化的关系”,设计了如下实验,他的操作步骤是:按图摆好实验装置,其中小车质量M=0.20kg,钩码总质量m=0.05kg。释放小车,然后接通打点计时器的电源(电源频率为f=50Hz),打出一条纸带。考点1考点2考点3(1)他在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条,如下图所示。把打下的第一点记作0,然后依次取若干个计数点,相邻计数点间还有4个点未画出,用厘米刻度尺测得各计数点到0点距离分别为d1=0.004m,d2=0.055m,d3=0.167m,d4=0.256m,d5=0.360m,d6=0.480m他把钩码重力(g取9.8m/s2)作为小车所受合力算出打下0点到打下第5点合力做功W=J(结果保留三位有效数字),打下第5点时小车的速度v5=m/s(结果保留三位有效数字)。考点1考点2考点3(2)此次实验探究的结果,他没能得到“合力对物体做的功Wv2”的结论,且误差很大。通过反思,他认为产生误差的原因如下,其中正确的是。A.钩码质量太大,使得合力对物体做功的测量值比真实值偏大太多B.没有平衡摩擦力,使得合力对物体做功的测量值比真实值偏大太多C.释放小车和接通电源的次序有误,使得动能增量的测量值比真实值偏小D.没有使用最小刻度为毫米的刻度尺测距离也是产生此误差的重要原因考点1考点2考点3解析:(1)根据题意物体所受合外力为:F=mg=0.059.8=0.49N,根据功的定义可知:W=Fd5=0.176J;根据匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度,可以求出第5个点的速度大小为:(2)设绳子上拉力为F,根据牛顿第二定律有:对小车:F=Ma;对钩码:mg-F=ma;可得,由此可知当Mm时,钩码的重力等于绳子的拉力,因此当钩码质量太大时,会造成较大误差,故A正确;实验中要进行平衡摩擦力操作,若没有平衡摩擦力直接将钩码重力做的功当做小车合外力做的功,会造成较大误差,故B正确;释放小车和接通电源的顺序有误,影响打点多少,不一定会使动能的测量值偏小,故C错误;距离的测量产生的误差不是该实验产生的主要误差,故D错误。答案:(1)0.1761.12(2)AB考点1考点2考点3考点3误差与实验创新设计典例典例4某同学利用如图所示的装置探究功与速度变化的关系。步骤一:小物块在橡皮筋的作用下弹出,沿水平桌面滑行,之后平抛落至水平地面上,落点记为M1;步骤二:在钉子上分别套上2条、3条、4条同样的橡皮筋,使每次橡皮筋拉伸的长度都保持一致,重复步骤一,小物块落点分别记为M2、M3、M4考点1考点2考点3步骤三:测量相关数据,进行数据处理。(1)为求出小物块抛出时的动能,需要测量下列物理量中的()。A.小物块的质量mB.橡皮筋的原长xC.橡皮筋的伸长量xD.桌面到地面的高度hE.小物块抛出点到落地点的水平距离L(2)将几次实验中橡皮筋对小物块做功分别记为W1、W2、W3小物块抛出点到落地点的水平距离分别记为L1、L2、L3若功与速度的二次方成正比,则应以W为纵坐标、为横坐标作图,才能得到一条直线。(3)由于小物块与桌面之间的摩擦不能忽略,则由此引起的误差属于(选填“偶然误差”或“系统误差”)。考点1考点2考点3解析:(1)根据动能的定义可知,有物体的质量和速度可以计算其动能,所以必须测量小物块的质量和其水平速度,由于小物块做平抛运动,所以测量桌面到地面的高度和小物块抛出点到落地点的水平距离后,可以根据平抛运动的运动规律计算其初速度。(2)由于功W与速度的二次方v2成正比,而小物块抛出点到落地点的水平距离L又与速度v成正比,所以功W与小物块抛出点到落地点的水平距离的二次方L2成正比。(3)由于多次测量无法抵消小物块与桌面之间的摩擦引起的误差,所以该误差为系统误差。答案:(1)ADE(2)L2(3)系统误差