第6节 探究功与物体速度变化的关系

第6节 探究功与物体速度变化的关系
1、探究思路
本探究实验是按着如下的思路进行的：
（1）改变功的大小：采用教材图5.6-1所示实验装置，用1条、2条、3条……同样的橡皮筋将小车拉到同一位置释放，橡皮筋拉力对小车所做的功依次为W、2W、3W……
（2）确定速度的大小：小车获得的速度v可以由纸带和打点计时器测出，也可以用其他方法测出。
（3）寻找功与速度变化的关系：以橡皮筋拉力所做的功W为纵坐标，小车获得的速度v为横坐标，作出W—v曲线（即功—速度曲线）。分析这条曲线，得出橡皮筋拉力对小车所做的功与小车获得的速度的定量关系。
2、如何平衡摩擦力？
为了排除摩擦力的干扰，实验中可将木板放有打点计时器的一端垫高，让小车重力沿斜面方向的分力来平衡摩擦力。具体方法是：将木板放有打点计时器的一端垫高，脱开钩在小车上的橡皮筋，在小车尾部固定一纸带，轻推小车使小车沿木板向下运动。如果纸带上打出的点距是均匀的，说明纸带的运动是匀速的，小车重力沿斜面方向的分力就刚好平衡了小车所受的摩擦力。
3、如何选择纸带上的点距确定速度？
由于实验器材和每次操作过程的分散性，尤其是橡皮筋不可能做到各条之间的长度、粗细完全一致，使得每次改变橡皮筋的条数后，纸带上反映小车匀速运动阶段的点数和这些点的位置，不一定都在事先的设定点（即用1根橡皮筋拉小车时，与橡皮筋刚好处于自由长度相对应的纸带上打下的点）之后，而可能在设定点的前后。这是因为小车在几条橡皮筋拉动下运动至设定点时，各条橡皮筋可能在设定点的前、后对小车不产生拉力，从而使纸带上打出的点出现上述情况。
因此，需要对纸带上的点进行分析，方法是比较设定点左右及设定点之后的若干个相邻两点间的距离是否基本相同，选择相邻距离基本相同的若干个点作为小车匀速运动阶段的点，用这些点计算小车的速度。
4、用计算法处理实验数据
在确定了橡皮筋对小车所做的功并测出了小车获得的速度后，如果作出的W—v曲线不是一条直线，可以采用计算的方法，即根据测得的速度分别按W∝v2、W∝v3、W∝……算出相应的功的值，实际测得的速度与哪一种最接近，它们之间就具有哪一种关系。
5、用图象法处理实验数据
我们也可根据实验测得的数据，分别作出W—v曲线、W—v2曲线、W—v3曲线……。如果哪一种图象更接近于过原点的倾斜直线，功与速度之间就是哪一种正比关系。
用图象法处理数据，要比计算法更简捷而直观。
【例题解析】
【例1】你认为本实验的探究思路有何巧妙之处？
【解析】实验中用橡皮筋的弹力拉动小车做功使小车获得动能，探究橡皮筋做的功与小车速度变化的关系。橡皮筋的弹力是变力，所做的功是变力功，没有现成的公式可以计算功的大小。即使知道弹力功的公式也不能用它进行计算，因为橡皮筋的劲度系数也是变化的。然而，改变橡皮筋的条数，保持小车相同的运动距离，则弹力功的大小与橡皮筋的条数成正比。也就是说，在相同的位移情况下，用一条橡皮筋做的功为W，用两条同样的橡皮筋做的功就是2W，用同样的三条橡皮筋做的功就是3W……实验方法巧妙地避开了功的计算，直接确定了橡皮筋拉力对小车所做功的倍数关系。
【例2】本实验为什么要平衡摩擦力？能否用本实验装置探究拉力与摩擦力的合力所做的功与小车速度变化的关系？
【解析】本实验是为了探究橡皮筋对小车做的功与小车获得的速度间的关系，为此，必须排除摩擦力的干扰，所以要平衡摩擦力。
假如不平衡摩擦力，那么当拉力与摩擦力的合力为0时小车的位置，并不是橡皮筋刚恢复为自由长度时的位置，而是在橡皮筋刚变为自由长度时的位置之前，且该位置随橡皮筋条数的增加而发生变化。也就是说，在橡皮筋恢复为自由长度前，小车以不同程度地进入了减速运动阶段，我们在纸带上很难确定相应的位置。再有，当一次次增加橡皮筋时，即拉力成倍增加时，摩擦力没有发生变化，不可能相应地成倍增加。我们无法计算合力功的大小，也不可能使合力功成倍增加，所以不能用本实验装置探究拉力与摩擦力的合力所做的功与小车速度变化的关系。
【例3】如果实验得到的各点在W—v坐标系中大致呈现线性分布，那是什么原因？如何处理？
【解析】由最后的探究结果可知，W∝v2，故W—v曲线应是抛物线。实验得到的各点在W—v坐标系中大致呈现线性分布，说明这些点取在了速度较大的区域，因为该抛物线在速度较大的部分其形状趋近于直线。
小车质量小（如空车）而橡皮筋拉力较大时，小车的速度就比较大，加之实验次数少，所取的点数也少，使W、v各对应点近似成线性分布。
可以从两方面解决：实验时在小车中加砝码，增大小车总质量，使小车速度不致过快；画图时加大纵坐标的单位长度，从原点开始描绘图线也可以避免画成直线。
【例4】试分析本探究实验中误差的主要来源。
【解析】本探究实验的误差主要来源于以下三个方面：
（1）橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋的拉力与橡皮筋的条数不成正比；
（2）小车受力为0的位置，不一定在设定点；
（3）由于小车不受拉力的位置不一定在设定点，这就使拉力功W与橡皮筋的条数不成正比，而作图象时纵坐标的单位长度依然将功与橡皮筋的条数按正比关系取值，这样使作出的W、v各对应点的分布与函数图象发生偏离。
【例5】若再给你一架天平和砝码，你能利用本实验装置研究功与质量、速度间的关系吗？请说说你的设想。
【解析】我们已经知道功与速度间的关系是W∝v2，所以功与质量、速度间的关系可能是W∝mv2、W∝m2v2、W∝……
用天平测出小车的质量，并在小车内加不同数量的砝码以改变小车的总质量m，如教材中的探究实验那样进行操作，确定橡皮筋所做的功W，测出小车相应的速度v，画出W—mv2、W—m2v2、W—等图象，看哪一种图象是过原点的倾斜直线，即可确定相应的比例关系。
【例6】如果提供你天平、气垫导轨、数字计时器及计算机辅助设备，请设计探究功与质量、速度间定量关系的实验方法。
【解析】用气垫导轨和数字计时器，可以测出滑块经过导轨上某位置的速度。
如图6—1所示，滑块在气垫导轨上受重力和支持力两个力的作用，当滑块沿导轨滑行时，滑块重力沿倾斜导轨方向的分力对滑块做功。这一分力为
在滑块经过两光电门的过程中，这一分力所做的功为
式中m为滑块（连同遮光条）的质量，可用天平测出；h为垫块的高度，l为垫块与导轨接触点到导轨底端的距离，s为两光电门间的距离，均可用刻度尺测出。
以v1、v2分别表示滑块经过光电门G1、G2时的速度，根据固定在滑块上的两遮光条的间距和由数字计时器显示的滑块经过光电门G1、G2的时间，即可算出v1、v2。
由m、v1、v2组成的式子可能为
m(v2－v1)、m(v2－v1)2、m(v22－v12)、m(v2－v1)3、m(v23－v13)……
将实验数据分别代入以上各式，运用计算机辅助设备进行数据处理，即可发现功与质量、速度间的定量关系。
v1
v2
G2
G1
m
s
h
图6—1