2019年高中物理必修2假期作业（十七）　探究功与速度的变化关系

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假期作业（十七）　探究功与速度的变化关系
[温故知新]
一、实验目的
探究力对物体做功与物体速度变化的关系．
二、实验器材
小车(前面带小钩)、100～200 g的砝码、长木板(两侧适当的对称位置钉两个铁钉)、打点计时器及纸带、学生电源及导线(使用电火花计时器不用学生电源)、5～6条等长的橡皮筋、刻度尺．
三、实验原理

探究做功与速度变化的关系，可通过改变力对物体做的功，测出力对物体做不同的功时物体的速度，为简化实验，可将物体初速度设置为零，可用如图所示的装置进行试验，通过增加橡皮筋的条数使橡皮筋对小车做的功成倍增加，再通过打点计时器和纸带来测量每次实验后小车的速度．最后探究力做的功与速度变化之间的关系．
四、实验步骤
1．先将木板置于水平桌面上，然后在钉有钢钉的长木板上放好实验小车．
2．先用一条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车的速度v1，设此时橡皮筋对小车做的功为W1，记入表格．
3．用两条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次相同，这样橡皮筋对小车做的功为W2，测出小车的速度v2，记入表格．
4．用三条、四条、…橡皮筋做实验，用同样的方法测出功和速度，记入表格．
5．建立直角坐标系，用纵坐标表示力对物体做的功W，用横坐标表示物体的速度v或速度的平方v2，描点、连线，得出结论．
[典型例题]
【例题】) 在“探究功与速度变化的关系”实验中，某同学设计了如图甲所示的实验方案：使小物块在橡皮筋的作用下沿水平桌面被弹出，第二次、第三次…操作时分别改用2根、3根、…同样的橡皮筋将小物块弹出，测出小物块被弹出时速度，然后找到牵引力对小物块做的功与小物块速度的关系.
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(1)(多选)要测得小物块被弹出后的水平速度，需要测量哪些物理量：________(填正确答案标号，g已知)．
A．小物块的质量m
B．橡皮筋的原长x
C．橡皮筋的伸长量Δx
D．桌面到地面的高度h
E．小物块抛出点到落地点的水平距离L
(2)用测量的物理量表示获得速度大小的表达式__________________．
(3)能够实现橡皮筋对小物块做功整数倍变化的是________．
A．增加相同橡皮筋的条数，使小物块每次从同位置释放
B．橡皮筋两端固定，使橡皮筋的伸长量依次加倍
C．橡皮筋两端固定，使橡皮筋的长度依次加倍
D．释放小物块的位置等间距的变化
(4)根据实验数据做出W?v2的图象如图乙所示，图线不通过原点的原因是________________________________________________________________________．
解析：(1)(2)分析物块的运动情况可知，物块离开桌面后做平抛运动，竖直方向上，h＝gt2，水平方向上，L＝vt，联立解得v＝L .
要测物块被弹出时的速度，需要测量桌面到地面的高度h，小物块抛出点到落地点的水平距离L.
(3)实验时，选择相同的橡皮筋，使橡皮筋的形变量相同，通过改变橡皮筋的条数改变橡皮筋对小车所做的功，A选项正确．
(4)物块在桌面上运动时，摩擦力存在，对物块做负功，图象不过原点．
答案：(1)DE　(2)v＝L 　(3)A　(4)物体在桌面上运动时要克服摩擦力做功
名师方法总结
探究类实验在合理设计安装实验器材的前提下准确测量数据．对数据的处理是探究类实验的重点．一般的程序(以本实验为例)有：先对测量数据进行估计，或者作出W?v草图，大致判断两个量可能有什么关系．如果W?v曲线是一条直线，表明W∝v；如果不是直线，可着手考虑是否存在下列关系：W∝v2、W∝v3、W∝….
[提升训练]
1．“探究做功与物体速度变化的关系”实验装置如图所示．实验中，要求通过调整木板的倾角来平衡摩擦力．判断摩擦力已被平衡的方法是(　　)
A．释放小车后，小车能够运动
B．轻推一下小车，小车能够匀速运动
C．释放小车后，拖着纸带的小车能够运动
D．轻推一下小车，拖着纸带的小车能够匀速运动
2．某校物理实验小组用如图所示的装置探究“功与速度变化的关系”，关于实验操作，下列说法不正确的是(　　)

A．为消除摩擦力的影响，提高实验的精确度，必须先将纸带穿过计时器连到小车上，再改变木板倾角，使小车能沿木板匀速下滑
B．打点计时器打出的纸带上相邻各点的间距并不都是均匀的，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
C．换用不同的纸带进行实验，在增加橡皮筋数量的同时应减少橡皮筋拉伸的长度，以实现对小车的拉力不变的目的
D．本实验并不需要测量橡皮筋做的功到底是多少焦耳，只需测出以后各次实验橡皮筋做功是第一次实验时的多少倍即可
3．利用打点计时器和长木板可以做许多实验，如：①“用打点计时器测速度”；②“探究小车速度随时间变化的规律”；③“探究加速度与力、质量的关系”；④“探究做功与物体速度变化的关系”．其中需要倾斜木板以平衡小车所受摩擦力的实验是(　　)
A．①②　　　　　　　 B．②③
C．③④ D．①④
4．(多选)某实验小组做“探究功与速度变化关系”的实验时，设计让小车做匀变速运动，通过改变小车运动的距离而改变牵引力对小车做的功，并定量测出牵引力做功的值．已知挂在细线下的重物质量远小于小车质量．如图所示是该实验的部分仪器，除了图中所示器材外，还应选用的器材是(　　)

A．6 V左右交流电源、导线
B．220 V交流电源
C．纸带、刻度尺
D．秒表
E．天平(带砝码)
F．垫高轨道用的木块
5．在探究“功和速度变化关系”的实验中，小张同学用如图甲所示装置，尝试通过测得细绳拉力(近似等于悬挂重物重力)做的功和小车获得的速度的值进行探究，则
(1)下列说法正确的是________．
A．该方案需要平衡摩擦力
B．该方案需要重物的质量远小于小车的质量
C．该方案操作时细线应该与木板平行
D．该方案处理数据时应选择匀速时的速度
(2)图乙为A、B两位同学穿纸带方法，你认为________(选填“A”或“B”)的正确．

(3)某次获得的纸带如图丙所示，小张根据点迹标上了计数点，请根据计数点在刻度尺上的读数求出C点的速度为________m/s(计算结果保留3位有效数字)．
【能力提升】
6．为了“探究动能改变与合外力做功”的关系，某同学设计了如下实验方案：
A．第一步，他把带有定滑轮的木板有滑轮的一端垫起，把质量为M的滑块通过细绳与质量为m的带夹重锤相连，然后跨过定滑轮，重锤夹后连一纸带，穿过打点计时器，调整木板倾角，直到轻推滑块后，滑块沿木板匀速运动如图甲所示．
B．第二步，保持长木板的倾角不变，将打点计时器安装在长木板靠近滑轮处，取下细绳和重锤，将滑块与纸带相连，使其穿过打点计时器，然后接通电源释放滑块，使之从静止开始加速运动，打出纸带，实验装置如图乙所示，打出的纸带如图丙.
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试回答下列问题：
(1)已知O、A、B、C、D、E、F相邻计数的时间间隔为T，根据纸带求速度，当打点计时器打A点时滑块速度vA＝________．
(2)已知重锤质量m，当地的重加速度g，要测出某一过程合外力对滑块做的功还必须测出这一过程滑块的________(写出物理名称及符号)，合外力对滑块做功的表达式W合＝________．
7．某同学验证动能定理的实验装置如图1所示．水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨；导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一易拉罐相连，易拉罐和里面的细沙总质量为m；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上B点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间为t，d表示遮光片的宽度，L表示A、B两点间的距离．滑块与导轨间没有摩擦，用g表示重力加速度．


(1)该同学首先用游标卡尺测量了遮光片的宽度，如图2所示，遮光片的宽度d＝________cm.
(2)该同学首先调整导轨倾角，易拉罐内盛上适量细沙，用轻绳通过滑轮连接在滑块上．让滑块恰好在A点静止．剪断细绳后，滑块开始加速下滑，则其受到的合外力为________．(用题目中所给的物理量符号表示)
(3)为验证从A到B过程中滑块合外力做功与动能滑块变化的关系，需要验证的关系式为________________________________．(用题目中所给的物理量符号表示)
























参考答案
1.解析：实验中通过抬高木板的一端来平衡摩擦力，摩擦力是否平衡的判断方法是轻推一下小车，拖着纸带的小车能够匀速运动，D选项正确．
答案：D
2.解析：“探究功与速度变化的关系”的实验中，橡皮筋的弹力充当合外力，故需要在实验之前平衡摩擦力，将左端垫高，让小车在斜面上匀速直线运动，A选项正确；当橡皮筋恢复原长后，小车做匀速直线运动，打出的点是均匀的，B选项正确；由于两根橡皮筋拉动小车时做的功是一根橡皮筋拉动时做的功的两倍，所以应使几次拉动时伸长相同，C选项错误；在满足做功加倍的情况下，测出速度的值，因为只是画出图象，但并不需要功的具体的值，D选项正确．
答案：C
3.解析：“用打点计时器测速度”和“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中摩擦力的存在不会影响实验结果；“探究加速度与力、质量的关系”的实验中需要平衡摩擦力使绳子拉力成为小车的合力；“探究做功与物体速度变化的关系”的实验中需要平衡摩擦力使橡皮筋弹力充当物体的合外力，故C选项正确．
答案：C
4.解析：打点计时器使用电火花计时器，采用220 V交流电源；为了测量长度应使用纸带和刻度尺；为了求出拉力的功应测量物体的质量，需要用到天平；为了平衡摩擦力应有垫高轨道用的木块；同时本实验中不需要测量时间，不需要秒表，B、C、E、F选项正确，A、D选项错误．
答案：BCEF
5.解析：(1)分析装置图可知，细线对小车的拉力充当合外力，故需要平衡摩擦力，A选项正确；为了近似认为砝码的重力等于细线的拉力，需要砝码的质量远小于小车的质量，B选项正确；若细线与平板不平行，则影响压力，那么平衡摩擦力就没有意义了，C选项正确；在该实验方案中小车做匀加速直线运动，该方案处理数据时应求出某计数点的瞬时速度与小车对应于该点的位移，D选项错误．
(2)纸带安放的顺序是复写纸、纸带，B同学的正确．
(3)由图示刻度尺可知，其分度值为1 mm，BD间距为9.82 cm；
做匀变速直线运动的物体在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，时间间隔T＝0.08 s，
则C点的速度vC＝＝0.613 m/s.
答案：(1)ABC　(2)B　(3)0.613(0.609～0.613范围都可)
6.解析：(1)根据一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度求解打A点时滑块的速度，vA＝ .
(2)功等于力与力的方向上位移的乘积，要测出某一过程合外力对滑块做的功还必须测出这一过程滑块的位移x，W合＝mgx.
答案：(1)　(2)位移x　mgx
7.解析：(1)根据游标卡尺的读数规则可知，主尺读数为1.1 cm，游标尺上第4个刻度和主尺上某一刻度对齐，游标读数为4×0.1 mm＝0.4 mm，遮光片的宽度d＝1.14 cm.
(2)滑块恰好在A点静止，处于受力平衡状态，合力为零，剪断细绳，滑块加速下滑，合力为易拉罐和细沙的重力mg.
(3)滑块通过光电门的速度为v＝
合外力做功W＝mgL
根据动能定理可知，mgL＝M.
答案：(1)1.14　(2)mg　(3)mgL＝M










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