高中物理 探究动能变化跟做功的关系实验-课件(沪科版必修2)（共44张PPT）

(共44张PPT)

第3章 动能的变化与机械功
3.1 探究动能变化跟做功的关系
学习目标定位

复习动能的概念，会根据动能的表达式计算物体的动能.
能应用动能定理解决简单的问题.
掌握探究恒力做功与物体动能变化的实验方法.
1．动能 （1）动能的表达式：
①动能的瞬时性：
（2）对动能的理解：
②动能的标矢性：
③动能的相对性：
复习动能动能定理
2．动能定理
（1）表达式：
W＝Ek2－Ek1＝ΔEk.
3．关于动能定理的几点说明
①W的含义：所有外力所做功的 .
②W与ΔEk的关系：合力做功是引起物体动能变化的原因．
如果合力对物体做 ，物体的动能增加；如果合力对物体做 ，物体的动能减少；如果合力对物体不做功，物体的动能 ．
③动能定理的实质：功能关系的一种具体体现，物体动能的改
变可由合外力做功来度量.
代数和
正功
负功
不变




一、对动能和动能定理的理解
典例精析
例1　关于动能、动能定理，下列说法正确的是(　　)
A．一定质量的物体，动能变化
时，速度一定变化，但速度变
化时，动能不一定变化
B．动能不变的物体，一定处于
平衡状态
C．合力做正功，物体动能可能
减小
D．运动物体所受的合外力为零，则物体的动能肯定不变


AD
返回

矢量

标量
变化
变化


动能不变

速度方向可以发生变化

动能增加

做功为0

动能不变


例2 起重机钢索吊着质量m＝1.0×103 kg的物体，以a＝2 m/s2
的加速度由静止竖直向上提升了5 m，物体的动能增加了多少？(g取10 m/s2)

典例精析
二、动能定理的简单应用
返回
解析

F
mg
由动能定理可知：
ΔEk＝W合 ②
由牛顿第二定律，
F－mg＝ma ①
W合＝F合·h ③
ΔEk＝F合·h＝ma·h＝1.0×104 J
实验：探究做功与动能变化的关系
明确目的：探究合力做功与动能变化的关系


需要测量那些物理量？怎样测？
设计实验方案：
方案1：橡皮筋变力做功的实验（定性理解）
方案2：牛顿第二定律实验装置（定量操作性强）
方案3：重锤自由下落


2
A
2
B
2
1
2
1
mv
mv
w合
-
=
实验方案一
1、实验目的
用实验方法探究动能定理
2、实验原理
外力对物体所做功等于物体动能增量。
（注意：实验中，可以通过改变橡皮筋的根数，达到改变外力做功；通过打电计时器记录物体运动，分析物体的速度，从而得到它的动能增量；当然也可以直接利用光电门测出物体获得的速度）
3、实验器材
打电计时器，物体，电源，橡皮筋（保证近似相同），木板（或：汽垫导轨，光电计时装置）　

打点计时器
纸带
橡皮筋



方案一：利用橡皮筋做功探究动能定理
4、实验步骤
（1）按图把实验器材安装好，并平衡摩擦力。（调整有打点计时器一端的长木板高度）
（2）用一根橡皮筋套住物块，拉至某位置O，接通电源，放开物块，打点计时器在纸带上打下一系列点，取下纸带，在纸带上写上编号。
（3）改变橡皮筋根数，从同一位置O，释放物块，得到一系列纸带
（4）通过纸带数据处理，得到物块的速度v
5、数据处理
先对测量数据进行估计，或者作个W-v草图，大致判断两个量可能是什么关系。如果认为可能是W∝v2，对于每一个速度值算出它的二次方，然后以W为纵坐标、v2为横坐标作图，如果这样作出来的图象是一条直线，说明两者关系真的就是W∝v2。

　
6. 注意事项　
(1) 平衡摩擦力很关键，将木板一端垫高，使小车重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡．方法是轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否匀速运动，找到木板一个合适的倾角．　
(2) 测小车速度时，纸带上的点应选均匀部分的，也就是选小车做匀速运动状态时对应的点．　
(3) 橡皮筋应选规格一样的．力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可，不必计算出具体数值．　
(4) 小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些．　

例1、如下图所示，是某研究性学习小组做探究“橡皮筋做的功和物体速度变化的关系”的实验，图中是小车在一条橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行的情形，这时，橡皮筋对小车做的功记为W. 当我们用2条、3条……完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次……实验时，每次橡皮筋都拉伸到同一位置释放. 小车每次实验中获得的速度由打点计时器所打的纸带测出．
(1)除了图中的已给出的实验器材外，还需要的器材有__________________________；
(2)实验时为了使小车只在橡皮筋作用下运动，应采取的措施是__________________________________________________________________
(3)每次实验得到的纸带上的点并不都是均匀的，为了测量小车获得的速度，应选用纸带的________部分进行测量；
(4)下面是本实验的数据记录表，请将第2次、第3次……实验中橡皮筋做的功填写在对应的位置；
(5)从理论上讲，橡皮筋做的功Wn和物体速度vn变化的关系应是Wn∝_______. 请你运用数据表中测定的数据在右上图所示的坐标系中作出相应的图象验证理论的正确性；
打点计时器
纸带
橡皮筋



刻度尺
把木板的末端垫起适当高度以平衡摩擦力
点距均匀



由于v0=0,橡皮筋做的功Wn和物体速度vn变化的关系应是Wn∝vn2.
(练习)某实验小组要探究力对物体做功与物体获得速度的关系，选取的实验装置如下图所示．






(1) 除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、刻度尺和________(填“交流”或“直流”)电源. 　　

　
交流　
(2) 实验主要步骤如下： 　
Ⅰ. 实验时，为使小车所受合力等于橡皮筋的拉力，在未连接橡皮筋前将木板的左端用小木块垫起，使木板倾斜合适的角度，启动电源，轻推小车，得到的纸带应该是________(填“甲”或“乙”)．　
乙　
Ⅱ. 小车在一条橡皮筋的作用下由静止弹出，沿木板运动，此过程橡皮筋对小车做的功为W.　
Ⅲ. 再分别改用完全相同的2条、3条、…橡皮筋作用于小车，每次释放小车时：除由静止释放外，还必须____________ ____________ (填写相应实验条件)，使得每次每条橡皮筋对小车做的功都为W.　
Ⅳ. 分析打点计时器打出的纸带，分别求出小车每次获得的最大速度v1、v2、v3、….下图是实验中打出的一条纸带，为了测量小车获得的最大速度，应选用纸带的____________部分进行测量．　
　
每次从同一　
位置释放　
GK(或HK)　
Ⅴ. 作出W-v图象，则下列符合实际的图象是________．　
D　

(3) 若该小组实验时遗忘了上述步骤 Ⅰ 操作的情况下也完成了整个实验，那么当小车速度最大时，橡皮筋处于______(填“伸长”或“原长”)状态．　

伸长　
【解析】 (1) 除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、刻度尺和交流电源．(2) Ⅲ. 再分别改用完全相同的2条、3条、橡皮筋作用于小车，每次释放小车时：除由静止释放外，还必须每次从同一位置释放使得每次每条橡皮筋对小车做的功都为W.Ⅳ. 应选用纸带的GK部分进行测量，即匀速运动．Ⅴ. 由W与v2成正比，作出W-v图象，则下列符合实际的图象是D.(3) 若该小组实验时遗忘了上述步骤Ⅰ操作的情况下也完成了整个实验，那么当小车速度最大时，橡皮筋处于伸长状态．　
实验方案二
利用探究牛顿第二定律的实验装置验证动能定理


探究恒力做功与物体动能变化的关系，需要测量不同的力在不同的过程中做的功和对应的物体动能的变化量，这就需要测出物体的受力、力作用的距离和这段距离上物体的初、末速度以及物体的质量等物理量，其中比较难测量的是物体在各个位置的速度，可借助光电门较准确地测出，也可借助纸带和打点计时器来测量．
2．探究思路
3．实验设计
用气垫导轨进行探究
装置如图所示，所使用的器材有气垫导轨、滑块、计时器、气源、刻度尺、细绳、钩码等．
方法二:利用探究牛顿第二定律的实验装置验证动能定理
1.实验目的 探究外力做功与物体动能变化的定量关系
4.实验原理：
（1）实验装置如图所示，在砝码和砝码盘的质量远小于小车质量时，可认为细绳的拉力等于砝码及砝码盘的重力（F绳=G砝码及砝码盘）。
（2）用光电门记录滑块的运动情况，求出滑块的速度vA和vB；
（或用打点计时器通过纸带记录的物体运动的匀加速阶段，适当间隔地取两个点A、B 只要取计算一小段位移的平均速度即可确定A、B两点各自的速度vA、vB，）在这段过程中物体运动的距离s可通过运动纸带测出，可计算W合=F绳SAB（F绳=G砝码及砝码盘）。

另一方面，此过程中物体动能的变化量为 ，通过比较W和ΔEk的值，就可以找出两者之间的关系。


二、实验探究恒力做功与物体动能变化的关系
(1)用天平测出滑块的质量m.
5．实验步骤
(2)按图所示安装实验装置．
(3)平衡摩擦力，将气垫导轨(或长木板)没有滑轮的一端适当抬高，轻推
滑块，使滑块能做匀速运动．
(4)让滑块通过细绳连接钩码(或小沙桶)，使钩码(或小沙桶)的质量远小
于滑块的质量，滑块在细线的拉力作用下做匀加速运动，由于钩码
(或小沙桶)质量很小，可以认为滑块所受拉力F的大小等于钩码(或小
沙桶)所受重力的大小．
(5)释放滑块，滑块在细绳的拉力作用下运动，用光电门(或打点计时器)
记录滑块的运动情况，求出滑块的速度v1和v2(若分析滑块从静止开始
的运动，v1＝0)，并测出滑块相应的位移s.
(6)验证Fs＝ ，在误差允许范围内成立即可．

例2．在“探究恒力做功与物体的动能改变量的关系”的实验中备有下列器材：A.打点计时器；B.天平；C秒表；D.低压交流电源；E.电池；F.纸带；G.细线、砝码、小车、砝码盘；H.薄木板．
(1)其中多余的器材是____________ ，缺少的__________________．
(2)测量时间的工具是__________________；测量质量的工具________．

(3)下图所示是打点计时器打出的小车(质量为m)在恒力F作用下做匀加速直线运动的纸带．测量数 据已用字母表示在图中，打点计时器的打点周期为T.请分析，利用这些数据能否验证动能定理？若不能，请说明理由；若能，请说出做法，并对这种做法做出评价


















水平实验台
滑轮
小沙桶
滑块
细线
打点计时器
纸带
长木板








毫米刻度尺
C、E　
打点计时器
天平
能．从A到B的过程中，恒力做的功为 ，物体动能的变化量为 只要验证



练习 某实验小组在实验室中利用图甲所示实验装置来探究合力做功与物体动能变化的关系．实验步骤如下：　
① 将木板固定在水平桌面上，一端装上定滑轮，木板上放置一质量M＝200 g的滑块，左端与穿过电磁打点计时器的纸带相连．　
② 将左端适当垫高，给滑块一个初速度，滑块恰好能做匀速直线运动．　
③ 滑块右端通过跨过定滑轮的细线与质量m＝10 g的钩码连接，实验中用钩码的重力代替小车受到的拉力．接通电源，释放钩码，滑块开始运动，打点计时器打出纸带的一部分如图乙所示，0、1、…5、6为计数点，每相邻两计数点间还有四个点未画出．已知打点计时器使用的交流电源的频率为50 Hz，当地的重力加速度g＝9.8 m/s2，所有运算结果均保留两位有效数字．　

(1) 滑块打点1时的动能为__________J，打点5时的动能为__________J.　
(2) 在从点1运动到点5过程中拉力所做的功W＝__________J.　
(3) 通过计算，发现拉力所做的功________(填“大于”“小于”或者“等于”)滑块动能的增加，原因是________________________________.　
1.5×10－3　
9.8×10－3　
8.6×10－3　
大于　
钩码的重力大于细线对小车的拉力　

三、实验探究恒力做功与物体动能变化的关系
例3 某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“动能定理”．如图所示，他们将拉力传感器固定在小车上，用不可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时的速度大小．小车中可以放置砝码．
(1)实验主要步骤如下：
①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．
②将小车停在C点，接通电源，________，小车
在细线拉动下运动，记录细线拉力及小车通过A、B时的速度．
③在小车中增加砝码，重复②的操作．
测量合外力
测量始末速度

研究对象
小车
后释放小车


典例精析
三、实验探究恒力做功与物体动能变化的关系
例3 某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“动能定理”．如图所示，他们将拉力传感器固定在小车上，用不可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时的速度大小．小车中可以放置砝码．
(2)表1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，|v22－v12|是两个速度传感器所记录速度的平方差，可以据此计算出动能变化量ΔEk，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ΔEk3＝________，W3＝________.(结果保留三位有效数字)
次数 M/kg |v22－v12|/(m/s)2 ΔEk/J F/N W/J
1 0.500 0.760 0.190 0.400 0.200
2 0.500 1.650 0.413 0.840 0.420
3 0.500 2.400 ΔEk 1.220 W3
4 1.000 2.400 1.200 2.420 1.210
5 1.000 2.840 1.420 2.860 1.430
测量合外力
测量始末速度





典例精析
三、实验探究恒力做功与物体动能变化的关系
例3 某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“动能定理”．如图所示，他们将拉力传感器固定在小车上，用不可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时的速度大小．小车中可以放置砝码．
返回
(3)根据表1在图中作出ΔEk－W图线．
次数 M/kg |v22－v12|/(m/s)2 ΔEk/J F/N W/J
1 0.500 0.760 0.190 0.400 0.200
2 0.500 1.650 0.413 0.840 0.420
3 0.500 2.400 ΔEk 1.220 W3
4 1.000 2.400 1.200 2.420 1.210
5 1.000 2.840 1.420 2.860 1.430
描点法画图像





实验方案三

案例：(探究恒力做功与物体动能变化)质量为1 kg的重物自由下落，通过打点计时器在纸带上记录运动的过程，打点计时器所接电源为6 V、50 Hz的交流电源．如图所示，纸带上O点为重物自由下落时纸带打点的起点，选取的计数点A、B、C、D、E、F、G依次间隔一个点(图中未画出)，纸带上的数据表示各计数点与O点间的距离．
(1)求出B、C、D、E、F各点对应的速度并填入下表
计数点 B C D E F
速度/(m·s－1) ? ? ? ? ?
☆ 时刻的速度等于 内平均速度
同理 vC≈1.57 m/s，vD≈1.96 m/s，vE≈2.35 m/s，vF≈2.74 m/s
1
2
3
4
4．(探究恒力做功与物体动能变化)质量为1 kg的重物自由下落，通过打点计时器在纸带上记录运动的过程，打点计时器所接电源为6 V、50 Hz的交流电源．如图所示，纸带上O点为重物自由下落时纸带打点的起点，选取的计数点A、B、C、D、E、F、G依次间隔一个点(图中未画出)，纸带上的数据表示各计数点与O点间的距离．
(2)求出物体下落时从O点到B、C、D、E、F各点过程中重力所做的功，并填入下表.
计数点 B C D E F
功/J ? ? ? ? ?
WB＝mg·OB＝1×9.8×70.6×10－3 J≈0.69 J
0.69
同理WC≈1.23 J，WD≈1.92 J，
WE≈2.76 J，WF≈3.76 J.
1.23
1.92
2.76
3.76

课堂要点小结
动能和动能定理

动能：
动能定理


Ek＝mv2/2
理解：瞬时性、标量

W＝△Ek
W与△Ek的关系

合外力做正功，动能增加，△Ek为正值
合外力做负功，动能减少，△Ek为负值
返回
探究恒力做功与物体动能变化的关系
设计实验方案：方案1：橡皮筋变力做功的实验
方案2：牛顿第二定律实验装置
方案3：重锤自由下落



1．(对动能的理解)在水平路面上，有一辆以36 km/h行驶的客车，在车厢后座有一位乘客甲，把一个质量为4 kg的行李以相对客车5 m/s的速度抛给前方座位的另一位乘客乙，则行李的动能是(　　)
A．500 J B．200 J
C．450 J D．900 J
C
对地速度







解析
课堂训练
2．(对动能定理的理解)关于运动物体所受的合外力、合外力做的功、物体动能的变化，下列说法正确的是(　　)
A．运动物体所受的合外力不为零，
合外力必做功，物体的动能肯定
要变化
B．运动物体所受的合外力为零，则
物体的动能肯定不变
C．运动物体的动能保持不变，则该
物体所受合外力一定为零
D．运动物体所受合外力不为零，则
该物体一定做变速运动，其动能
要变化
B





解析
[练习3]
关于动能的理解，下列说法正确的是：
A、动能不变的物体，一定处于平衡状态
B、动能不可能是负的
C、一定质量的物体，动能变化时，速度一定变化；但速度变化时，动能不一定变化
D、物体的加速度为零，其动能不变
BCD
null
即时应用(即时突破，小试牛刀)
4．(2011年陕西西安高一考试)一个物体放在光滑的水平地面上，现用水平力F拉着物体由静止开始运动，当经过位移s1时，速度达到v，随后又经过位移s2时，速度达到2v.那么，在s1和s2两段路程中F对物体做的功之比为(　　)
A．1∶2 B．2∶1
C．1∶3 D．1∶4
C
null
5　某实验小组利用拉力传感器和速度传感
器探究“恒力做功与物体动能变化的关系”.
如图3所示，他们将拉力传感器固定在小车上，
用不可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时的速度大小.小车中可以放置砝码.
(1)实验主要步骤如下：
①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.
图3
小车
答案
②将小车停在C点，接通电源， ，小车在细线拉动下运动，记录细线拉力及小车通过A、B时的速度.
③在小车中增加砝码，重复②的操作.
答案
然后释放小车
(2)表1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，
是两个速度传感器所记录速度的平方差，可以据此计算出动能变化量ΔEk，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ΔEk3＝ ，W3＝ .(结果保留三位有效数字)
表1　数据记录表
答案
次数 M/kg /(m/s)2 ΔEk/J F/N W/J
1 0.500 0.760 0.190 0.400 0.200
2 0.500 1.650 0.413 0.840 0.420
3 0.500 2.400 ΔEk3 1.220 W3
4 1.000 2.400 1.200 2.420 1.210
5 1.000 2.840 1.420 2.860 1.430
0.600
0.610
(3)根据表1在图4中作出ΔEk－W图线.
答案　如图所示
图4
答案
再 见