2019-2020年高中物理 第2章 能的轉(zhuǎn)化與守恒 第2講 實驗 探究恒力做功與動能改變的關(guān)系學案 魯科版必修2.doc

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2019-2020年高中物理 第2章 能的轉(zhuǎn)化與守恒 第2講 實驗 探究恒力做功與動能改變的關(guān)系學案 魯科版必修2 [目標定位]　1.通過實驗探究恒力做功與動能改變的關(guān)系.2.學習利用圖象法研究功與物體速度變化的關(guān)系． 1．常見的兩種實驗方案 (1)方案一：使小車在橡皮筋的作用下彈出，如圖1所示． 圖1 改變橡皮筋的條數(shù)并使小車從____________被彈出；測出小車被彈出后的速度，尋找牽引力對小車做的功與小車速度的關(guān)系． 想一想　由于橡皮筋彈力隨其形變量而變，那么如何處理橡皮筋對小車做的功？ (2)方案二：由重物通過滑輪牽引小車，如圖2所示． 圖2 改變重物的______或者改變小車運動的______，也就改變了牽引力做的功，從而探究牽引力做的功與小車獲得的速度間的關(guān)系． 2．平衡摩擦力 將木板一端墊高至輕推小車后小車做__________運動，此時，小車不要連接重物或拴橡皮筋，但應(yīng)連著______且接通電源． 想一想　方案一實驗中若不平衡摩擦力，紙帶上的點會是什么樣的？平衡摩擦力后，紙帶上的點又會是什么樣的？ 3．數(shù)據(jù)的處理：通過試探與分析，確定W與v的關(guān)系． (1)圖象法：分別試探畫出W與v、W與____、W與____、W與____間關(guān)系的圖象，找出哪一組的圖象更接近于過原點的__________，從而確定功與速度變化的正確關(guān)系． (2)計算法：對方案二，測出對小車拉力大小F，小車位移s，及對應(yīng)速度v，計算拉力(或合力)對小車做的功W＝____，從而確定功與速度變化的關(guān)系. 一、借助變力做功探究功與速度變化的關(guān)系 1．實驗步驟 (1)按圖3組裝好實驗儀器，由于小車在運動中會受到阻力，把木板略微傾斜，使小車在木板上勻速運動，以平衡摩擦力． 圖3 (2)先用一條橡皮筋進行實驗．把橡皮筋拉伸一定長度，理順紙帶，接通電源，放開小車． (3)換用紙帶，改用2條、3條……同樣的橡皮筋進行第2次、第3次……實驗，每次實驗中橡皮筋拉伸的長度都相同． (4)由紙帶上點跡均勻部分算出小車獲得的速度，把各次實驗獲得的速度依次記入設(shè)計的表格中． (5)對觀測數(shù)據(jù)進行估計，大致判斷兩個量可能的關(guān)系，然后以W為縱坐標，以v(v2、v3)為橫坐標作圖． 2．數(shù)據(jù)處理與結(jié)果 (1)以拉力(或合力)做的功W為縱坐標，注意單位為一根橡皮筋做的功W0，以v為橫坐標，作出Wv圖象．若如圖4甲所示為曲線，嘗試作Wv2圖象，如圖乙，若Wv2圖線為直線，則說明W∝v2. 圖4 (2)結(jié)論：橡皮筋對小車的拉力(合力)做的功與小車速度的平方成正比，即W∝v2. 3．注意事項 (1)平衡小車在木板上運動的摩擦力，保證小車脫離橡皮筋后做勻速運動． (2)本實驗是利用橡皮筋的多少來表示拉力做功的大小，故不需要求出做功的數(shù)值．但每次實驗所用的橡皮筋都要相同并且拉伸的長度都保持一致． (3)打出的紙帶上的點間距并不都是均勻的，應(yīng)選取點跡清晰、間距均勻的部分計算小車的速度． 例1　某實驗小組采用如圖5所示的裝置探究功與速度變化的關(guān)系，小車在橡皮筋的作用下彈出后，沿木板滑行．打點計時器的工作頻率為50 Hz. 圖5 (1)實驗中木板略微傾斜，這樣做________． A．是為了使釋放小車后，小車能勻加速下滑 B．是為了增大小車下滑的加速度 C．可使得橡皮筋做的功等于合力對小車做的功 D．可使得橡皮筋松弛后小車做勻速運動 (2)實驗中先后用同樣的橡皮筋1條、2條、3條…合并起來掛在小車的前端進行多次實驗，每次都要把小車拉到同一位置再釋放．把第1次只掛1條橡皮筋時橡皮筋對小車做的功記為W1，第二次掛2條橡皮筋時橡皮筋對小車做的功為2W1…橡皮筋對小車做功后而使小車獲得的速度可由打點計時器打出的紙帶測出．根據(jù)第四次的紙帶(如圖6所示)求得小車獲得的速度為________m/s. 圖6 (3)若根據(jù)多次測量數(shù)據(jù)畫出的Wv圖象如圖所示，根據(jù)圖線形狀，可知對W與v的關(guān)系符合實際的是圖________． 針對訓練　為了探究對物體做功與物體速度變化的關(guān)系，現(xiàn)提供如圖7所示的器材，讓小車在橡皮筋的作用下彈出后，沿長木板滑行，請思考探究思路并回答下列問題(打點計時器交流電頻率為50 Hz)． 圖7 (1)為了消除摩擦力的影響應(yīng)采取的措施是：____________________________________ ________________________________________________________________________. (2)當我們分別用同樣的橡皮筋1條、2條、3條……并用來進行第1次、第2次、第3次……實驗時，每次實驗中橡皮筋拉伸的長度都應(yīng)保持一致，我們把第1次實驗時橡皮筋對小車做的功記為W. (3)由于橡皮筋對小車做功而使小車獲得的速度可以由打點計時器和紙帶測出，如圖8所示是其中四次實驗打出的部分紙帶． 圖8 (4)試根據(jù)(2)、(3)中的信息，填寫下表. 次數(shù) 1 2 3 4 橡皮筋對小車做功 W 小車速度v/(ms－1) v2/(m2s－2) 從表中數(shù)據(jù)可得出結(jié)論：_______________________________________________. 二、借助恒力做功探究功與速度變化的關(guān)系 1．測量前的準備：平衡摩擦力 將木板一端墊高，讓小車從木板上勻速滑動，從而平衡摩擦力． 2．實驗必須滿足的條件：鉤碼質(zhì)量m遠小于小車質(zhì)量M 在鉤碼質(zhì)量m遠小于小車質(zhì)量M的條件下，鉤碼的重力大小才近似等于小車所受合力． 3．有關(guān)測量和計算 (1)小車受到的合外力F：大小近似等于所掛鉤碼的重力mg，故用天平測出鉤碼的質(zhì)量m可求F≈mg. (2)通過紙帶測小車的位移sn. (3)求出合力對小車做的功W＝Fsn＝mgsn (4)通過紙帶求出對應(yīng)位移sn時，小車獲得的速度v＝. 4．結(jié)論 研究W與v的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)合力對小車做的功W與小車速度的平方成正比，即滿足W∝v2. 例2　某實驗小組的同學采用如圖9所示的裝置(實驗中，小車碰到制動裝置時，鉤碼尚未到達地面)用打點計時器得到一條紙帶后，通過分析小車位移與速度變化的關(guān)系來研究合力對小車所做的功與速度變化的關(guān)系．圖10是實驗中得到的一條紙帶，點O為紙帶上的起始點，A、B、C是紙帶上的三個連續(xù)的計數(shù)點，相鄰兩個計數(shù)點間均有4個點未畫出，用刻度尺測得A、B、C到O的距離如圖所示．已知所用交變電源的頻率為 50 Hz，則： 圖9 圖10 (1)打B點時，小車的瞬時速度vB＝________m/s.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) (2)實驗中，該小組的同學畫出小車位移s與速度v的關(guān)系圖象如圖11所示．根據(jù)該圖線形狀，某同學對W與v的關(guān)系作出的猜想，肯定不正確的是________．(填寫選項字母代號) 圖11 A．W∝v2 B．W∝v C．W∝ D．W∝v3 (3)本實驗中，若鉤碼下落高度為h1時合力對小車所做的功為W0，則當鉤碼下落高度為h2時，合力對小車所做的功為________．(用h1、h2、W0表示) 借助變力做功探究功與速度變化的關(guān)系 1．某學習小組做“探究功與速度變化的關(guān)系”的實驗如圖12甲所示，圖中小車是在一條橡皮筋作用下彈出的，沿木板滑行，這時，橡皮筋對小車做的功記為W.當用2條、3條……完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次……實驗時(每次實驗中橡皮筋伸長的長度都保持一致)，每次實驗中小車獲得的速度根據(jù)打點計時器所打在紙帶上的點進行計算． 圖12 (1)除了圖中已有的實驗器材外，還需要導線、開關(guān)、刻度尺和________(選填“交流”或“直流”)電源． (2)為平衡小車運動過程中受到的阻力，應(yīng)該采用下面所述方法中的________(填入選項前的字母代號)． A．逐步調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，讓小車能夠自由下滑 B．逐步調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，讓小車在橡皮筋作用下開始運動 C．逐步調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，給小車一初速度，讓拖著紙帶的小車勻速下滑 D．逐步調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，讓拖著紙帶的小車自由下滑 (3)圖乙是該實驗小組在實驗過程中打出的一條紙帶，已知打點計時器連接的電源的頻率為50 Hz，則橡皮筋恢復(fù)原長時小車的速度為__________m/s(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)． 借助恒力做功探究功與速度變化的關(guān)系 2．在“探究恒力做功與物體的速度變化的關(guān)系”的實驗中備有下列器材：A.打點計時器；B.天平；C.秒表；D.低壓交流電源；E.電池；F.紙帶；G.細線、砝碼、小車、砝碼盤；H.薄木板． (1)其中多余的器材是________________；缺少的器材是________________． (2)測量時間的工具是____________；測量質(zhì)量的工具是________________． (3)如圖13所示是打點計時器打出的小車(質(zhì)量為m)在恒力F作用下做勻加速直線運動的紙帶，測量數(shù)據(jù)已用字母表示在圖中，打點計時器的打點周期為T.請分析，利用這些數(shù)據(jù)能否完成“探究恒力做功與物體的速度變化的關(guān)系”實驗？若不能，請說明理由；若能，請寫出做法． 圖13 答案精析 第2講　實驗：探究恒力做功與動能改變的關(guān)系 預(yù)習導學 1．(1)同樣的位置 想一想　可用多根相同的橡皮筋每次拉長都一樣，這樣做功就是W與nW之間的關(guān)系． (2)質(zhì)量　距離 2．勻速直線　紙帶 想一想　若不平衡摩擦，小車在開始時受橡皮筋的彈力和摩擦力．拉力逐漸變小，摩擦力不變．在兩個力相等前做加速度越來越小的加速運動，兩力相等時速度達到最大，之后兩力的合力方向與速度方向相反，做加速度越來越大的減速運動，當橡皮筋恢復(fù)原長后僅受摩擦力，做勻減速直線運動．故紙帶上的點是兩頭密、中間疏，幾乎找不到間距相等的點． 平衡摩擦后，小車開始做加速度越來越小的加速運動，橡皮筋恢復(fù)原長后做勻速直線運動．故點跡是開始密，越來越疏，之后間距相等． 3．(1)v2　v3　　傾斜直線　(2)Fs 課堂講義 例1　(1)CD　(2)2.00　(3)C 解析　(1)木板傾斜是為了消除摩擦力的影響，可使得橡皮筋做的功等于合力對小車做的功，橡皮筋松弛后小車做勻速運動． (2)小車的速度應(yīng)從勻速運動部分取紙帶，可得小車獲得的速度為2.00 m/s. (3)根據(jù)W＝mv2，根據(jù)W∝v2，可知應(yīng)選C. 針對訓練　見解析 解析　(1)將長木板固定，有打點計時器的一端墊起適當?shù)母叨?，使小車勻速下滑? (4)由勻速運動的速度公式v＝，其中s可從題圖上讀出，分別為2.00 cm,2.83 cm,3.46 cm,4.00 cm.t＝T＝＝0.02 s，即可求出小車的速度． 次數(shù) 1 2 3 4 橡皮筋對小車做功 W 2W 3W 4W 小車速度v/(ms－1) 1.0 1.415 1.73 2.0 v2/(m2s－2) 1.0 2.0 3.0 4.0 從表中數(shù)據(jù)可以得出：橡皮筋對小車做的功與小車速度的平方成正比． 例2　(1)0.80　(2)BC　(3)W0 解析　(1)vB＝ ＝ m/s ＝0.80 m/s. (2)由題圖知，位移與速度的關(guān)系圖象很像拋物線，所以可能s∝v2或s∝v3，又因為W＝Fs，F(xiàn)恒定不變，故W∝v2或W∝v3，A、D正確，B、C錯誤． (3)設(shè)合力為F，由W0＝Fh1，得F＝，所以當鉤碼下落h2時W＝Fh2＝W0. 對點練習 1．(1)交流　(2)C　(3)1.40 解析　(1)打點計時器使用交流電源．(2)平衡摩擦力的方法是：逐步調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，給小車一初速度，讓拖著紙帶的小車勻速下滑，故選C.(3)從C點到F點小車做勻速運動，則速度為v＝＝1.40 m/s. 2．(1)C、E　毫米刻度尺 (2)A　B　(3)見解析 解析　(1)計算小車速度是利用打上點的紙帶，故不需要秒表．打點計時器應(yīng)使用低壓交流電源．故多余的器材是C、E；測量點與點之間的距離要用毫米刻度尺，故缺少的器材是毫米刻度尺． (2)測量時間的工具是打點計時器；測量質(zhì)量的工具是天平． (3)能，從A到B的過程中，恒力做的功為WAB＝FsAB，A、B兩點的速度可根據(jù)vA＝，vB＝算出．