2022年高中物理第四章机械能和能源实验：研究合外力做功和动能变化的关系教学案教科版必修.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 试验：讨论合外力做功和动能变化的关系一、试验目的1通过试验探究合外力对物体做的功与物体动能变化的关系；2学习利用图像法讨论合外力做功与物体动能变化的关系；二、试验原理 拼十年寒 窗挑灯 苦读不 畏难；携双亲 期盼背 水勇战 定夺魁；假如 你期望 胜利,以恒心 为良友,以经 验为参 谋,以 小 心为兄弟,以希 望为哨 兵；如图 1 所示由重物通过滑轮牵引小车,小车运动过程中拖动纸带,打点计时器在纸带上打点记录小车的运动情形；利用纸带及拉力 F 与小车质量 m的数据, 量出起始点至各计数点的距离, 运算小车在打下各计数点时的瞬时速度,进而运算出小车运动到打下各计数点过程中合外力对它做的功 W以及所增加的动能 Ek,讨论二者的关系；图 1 三、试验器材长木板 一端附有滑轮 、小车、小盘、砝码假设干、打点计时器、纸带、复写纸、刻度尺、细线；四、试验步骤1如图 1 所示,把纸带的一端固定在小车后面,另一端穿过打点计时器,转变木板的倾角,让小车重力的一个分力平稳小车及纸带受到的摩擦力,使小车能做匀速运动；2把细线系在小车上并绕过定滑轮悬挂小盘,在小盘里放入适量砝码,使小车的质量远大于砝码和小盘的总质量,小车在细线的拉力作用下做匀加速运动,由于砝码和小盘质量很小,可认为小车所受拉力F 的大小等于砝码和小盘所受重力的大小；3接通电源,放开小车,让小车拖着纸带运动,打点计时器就在纸带上打下一系列点；4重复以上试验,选择一条点迹清楚的纸带进行数据分析,由纸带可以找到位移和时 间的信息,由砝码和小盘的质量可以知道小车所受的恒力； 小车质量已知 5由试验数据得出结论；五、数据处理 1小车速度及外力做功的确定 通过试验获得打点的纸带,利用“ 匀变速直线运动中,某段时间内的平均速度等于该段 时间中间时刻的瞬时速度” 这一结论运算纸带上选定的点的速度,测出小车在某段时间内的 位移,然后乘以重物的重力,即得外力在该段时间内对小车做的功；1 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2试验的数据处理1 运算各数据中v2、1 2mv 2 和相应的合外力做功W的数值并填入下表；编号数据1 2 3 4 5 6 物理量速度 v2/m2· s2 1 动能 2mv 2/J 合外力做功 W/J 2 比较各次试验中合外力做的功和物体动能变化的数值,从而得到合外力对物体做的 功和物体动能变化之间的关系；六、误差分析 1没有满意砝码盘及砝码的质量远小于小车质量带来系统误差；2未能恰好平稳摩擦力带来系统误差；3测量长度时带来偶然误差；七、留意事项 1平稳摩擦力时,不挂重物,轻推小车后,小车能做匀速直线运动；2运算牵引力做功时,可以不必算出详细数值,只用位移的数值与符号 G的乘积表示 即可； 例 1 某试验小组采纳如图2 所示的装置探究功与速度变化的关系,图中小车中可放置砝码,试验中,打点计时器的工作频率为 50 Hz ；图 2 1 试验的部分步骤如下：在小车中放入砝码,把纸带穿过打点计时器,连在小车后端, 用细线连接小车和钩码；2 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 将小车停在打点计时器邻近,_ ,_,小车拖动纸带,打点计时器在纸带上打下一系列点,_；转变钩码或小车中砝码的数量,更换纸带,重复的操作；2 图 3 是钩码质量为0.03 kg 、砝码质量为0.02 kg时得到的一条纸带,在纸带上选择起始点 O及 A、B、C、D、E 计数点,可获得各计数点到 速度 v,请将 C点的测量结果填在表中的相应位置；图 3 纸带的测量结果O的距离 x 及对应时刻小车的瞬时测量点x/cmv/m · s 1 O A B C D E 3 本试验,假设用钩码的重力表示小车受到的合外力,为了减小这种做法带来的试验误差,应实行的两项措施是：_ ；_ ； 解析 1 将小车停在打点计时器邻近后,需先接通电源,再释放小车,让其拖动纸带,待打点计时器在纸带上打下一系列点后,关闭打点计时器电源；2 在验证 C 点时,由题图可知,C 点与刻度尺上的 6.18 cm6.16 cm6.20 cm 均可 对齐,所以 C点距 O点的距离是 xO C5.18 cm5.16 cm5.20 cm 均可 ；从纸带上可知 C点的速度就是 BD段的平均速度,vC, 0.08 × 102 m/s 0.49 m/s ；3 平稳摩擦力后,细线上的拉力就等于小车受到的合外力；当钩码的重力远小于小车及砝码的重力和时,细线上的拉力就近似等于钩码的重力； 答案 1 先接通电源 再释放小车 关闭打点计时器电源 25.185.165.20均可 0.49 3 平稳摩擦力 钩码的重力远小于小车及砝码的重力和 例 2 某同学在“ 探究功与物体速度变化的关系” 试验中,设计了如图 4 甲所示的实验；将纸带固定在重物上,让纸带穿过电火花打点计时器；先用手提着纸带,使重物静止在3 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 靠近打点计时器的地方；然后接通电源, 松开纸带,让重物自由下落,打点计时器就在纸带上打下一系列小点；得到的纸带如图乙所示,O点为打点计时器打下的第 1 个点,该同学对数据进行了以下处理：取 OA ABBC,并依据纸带算出了 A、B、C 三点的速度分别为 vA0.12 m/s ,vB0.17 m/s ,vC0.21 m/s ；依据以上数据,你能否大致判定 W v 2；图 4 解析 设由 O到 A 的过程中,重力对重物所做的功为W0,那么由O到 B过程中,重力对重物所做的功为2W0,由 O到 C的过程中,重力对重物所做的功为 3W0；由运算可知, vA 21.44 × 10 2 m 2/s 2,vB 22.89 × 102 22 m 2/s 2,vC 24.41 × 1 02 m 2/s 2,vB vA 22,vC vA 23,即 vB 22 vA 2,vC 23vA 2,由以上数据可以判定 W v 2 是正确的；也可以依据 W- v 2 图像来判定,如下图； 答案 见解析1在探究“ 合外力做功和动能变化的关系” 试验中作出的以下 W-v 2 图像,符合实际的是 解析：选 B 试验证明,力做的功 W与物体速度 v 的二次方成正比,即 Wv 2,故作出的 W- v 2 图像为一条过原点的倾斜直线,B正确；2 多项选择 如图 5 所示,在“ 探究合外力做功和动能变化的关系” 的试验中,与小车相连的足够长的且穿过打点计时器的一条纸带上的间距明显不匀称,右端间距小, 左端间距大,下面的分析和判定正确的选项是 图 5 A假设左端与小车相连,可能平稳摩擦力时,木板倾斜度太大B假设右端与小车相连,可能平稳摩擦力时,木板倾斜度太大4 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - C假设左端与小车相连,可能小车有肯定的初速度,试验前遗忘平稳摩擦力或没有完 全平稳摩擦力 D假设右端与小车相连,可能小车运动前遗忘或没有完全平稳摩擦力 解析：选 BC 假设纸带左端与小车相连,从纸带间距可以判定小车做减速运动,小车有肯定的初速度,减速缘由可能是遗忘或没有完全平稳摩擦力,A 错误, C 正确；假设纸带右端与小车相连,小车始终做加速运动,说明可能平稳摩擦力时,倾角太大,B 正确, D错误；3在“ 探究合外力做功和动能变化的关系” 试验中图 6 装置如图 6 所示 ：1 以下说法哪哪一项正确的_； 填选项前的字母 A平稳摩擦力时必需将钩码通过细线挂在小车上 B为减小系统误差,应使钩码质量远大于小车质量C试验时,应使小车靠近打点计时器由静止释放2 图 7 所示是试验中获得的一条纸带的一部分,选取O、A、B、C计数点,已知打点计时器使用的沟通电频率为50 Hz,就打 B点时小车的瞬时速度大小为_m/s 保留三位有效数字 ；图 7 解析： 1 平稳摩擦力时不需将钩码挂在小车上,选项A 错误；为减小系统误差,应使钩码质量远小于小车质量,选项B 错误； 试验时,应使小车靠近打点计时器由静止释放,选项 C正确；2 由纸带可知,B 点的瞬时速度为vB vACxAC 2TxOCxOA18.59 5.53× 1022× 0.1m/s0.653 m/s ；4某同学为探究“ 恒力做功与物体动能转变的关系” ,设计了如下试验,他的操作步骤是：连接好试验装置如图 8 所示；5 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 8 将质量为200 g 的小车拉到打点计时器邻近,并按住小车；50 g 的钩码挂在拉在质量为10 g 、30 g、50 g 的三种钩码中,他选择了一个质量为线的挂钩 P上；释放小车,接通打点计时器的电源,打出一条纸带；1 在多次重复试验得到的纸带中取出自认为中意的一条；经测量、运算,得到如下数 据：第一个点到第 N个点的距离为 40.0 cm ；N 个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 打下第 拉力,拉力对小车做的功为 _ J ,小车动能的增量为 _ J ；2 此次试验探究结果,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, 明显, 在试验探究过程中无视了各种产生误差的因素；请你依据该同学的试验装置 和 操 作 过 程 帮 助 他 分 析 一 下 , 造 成 较 大 误 差 的 主 要 原 因 有 ：_ _ _； 至少写出两条缘由 解析：1 拉力 Fmg0.050 × 9.8 N0.49 N,拉力对小车做的功 WFx0.49 × 0.400 J0.196 J 小车动能的增量 Ek1 2mv 212 J 0.100 J ；22 误差很大的可能缘由：小车质量不满意远大于钩码质量；没有平稳摩擦力； 先放小车后接通电源,使打第一个点时,小车已有了肯定的初速度；答案： 10.196 0.100 2 小车质量没有远大于钩码质量；没有平稳摩擦力； 任选其二 操作错误：先放小车后接通电源 5如图 9 所示, 某组同学借用“ 探究 a与 F、m之间的定量关系” 的相关试验思想、原 理及操作,进行“ 讨论合外力做功和动能变化的关系” 的试验：图 9 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1 为到达平稳阻力的目的,取下细绳及托盘,通过调整垫片的位置,转变长木板倾斜程度,依据打出的纸带判定小车是否做 _运动；2 连接细绳及托盘, 放入砝码, 通过试验得到图10 所示的纸带； 纸带上 O为小车运动起始时刻所打的点,选取时间间隔为 0. 1 s 的相邻计数点 A、B、C、D、E、F、 G；试验时小车所受拉力为 0. 2 N ,小车的质量为 0.2 kg ；图 10 请运算小车所受合外力做的功W和小车动能的变化 Ek,补填表中空格 结果保留至小数点后第四位 ；W/JO B OC OD O E OF0.043 20.057 20.073 40.091 5 Ek/J0.043 00.057 00.073 40.090 7 分析上述数据可知：在试验误差答应的范畴内W Ek,与理论推导结果一样；试验前已测得托盘质量为 7.7 × 103 kg,试验时该组同学放入托盘中的砝码质量应为_kg g 取 9.8 m/s 2,结果保留至小数点后第三位 ；解析：试验中,第一平稳摩擦力,转变长木板的倾角,轻椎小车,小车沿长木板向下做匀速直线运动；打下 F 点时,小车运动的位移大小等于 O、F 间的距离,即 0.557 5 m ,细绳对小车的拉力为 0.2 N ,就拉力做功为 0.111 5 J,小车的瞬时速度为 0.667 70.457 5m/0.2 s1.051 m/s ,动能增量为 0.110 5 J；由纸带数据求得：AD21.20 cm ,DG30.07 cm ,小车、托盘和砝码组成的整体运动的加速度大小为 a0.300 7 0.212 0 m/s 20.985 6 m/s 2,小车受到的拉力为 F0.2 N ,设托盘和砝码的总质量为 m,由牛顿其次定律得 mgFma,得 m2.269 × 10 2kg,托盘中砝码质量为 0.015 kg ；答案： 1 匀速直线 或匀速 20.111 5 0.110 5 6某试验小组利用拉力传感器和速度传感器探究动能定理；如图 11 所示, 他们将拉力传感器固定在小车上,用不行伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连,用拉力传感器记录小车受到拉力的大小；在水平桌面上相距50.0 cm 的 A、B 两点各安装一个速度传感器,记录小车通过 A、B点时的速度大小；小车中可以放置砝码；7 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 11 1 试验主要步骤如下：测量 _和拉力传感器的总质量M1；把细线的一端固定在拉力传感器上,另一端通过定滑轮与钩码相连；正确连接所需电路；将小车停在C点,_,小车在细线拉动下运动,记录细线的拉力及小车通过 A、B 点时的速度；在小车中增加砝码,或_,重复的操作；2 下表是他们测得的一组数据,其中 M是 M1与小车中砝码质量之和；| v2 2 v1 2| 是两个速度传感器记录速度的平方差的肯定值,可以据此运算出动能的变化量 Ek,F 是拉力传感器受到的拉力,W是 F 在 A、B 间所做的功；表格中的 Ek3_, W 3_ ； 结果保留三位有效数字 数据记录表次数M/kg| v2 2v12|/ Ek/JF/NW/J m· s12123 Ek3W453 依据表格,请在图12 中的方格纸上作出 Ek- W图线；8 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 12 解析： 1 试验的讨论对象是小车 包括砝码和拉力传感器 ,所以应测量小车及拉力传感器的质量 砝码质量已知 ；为使小车稳固运行,小车最好由静止释放；重复试验, 可通过增减砝码的数量即转变讨论对象的质量来实现；2 由表中数据解得： Ek31 2M v2 2v1 2 0.600 J ,W 3 F3x1.22 × 0.500 J 0.610 J ；3 Ek- W图线是一条过原点的倾斜直线,如下图；答案： 1 小车由静止开头释放削减砝码20.600 J 0.610 J 3 图见解析9 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 9 页