(共34张PPT)
6.实验:探究功与速度变化的关系
一
二
三
四
一、实验目的
1.通过实验探究力对物体做功与物体速度变化的关系。
2.学习利用图象法研究功与物体速度变化的关系。
一
二
三
四
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。
一
二
三
四
三、实验原理
常见的两种实验方案
1.方案一:使小车在橡皮筋的作用下弹出,如图所示。
改变橡皮筋的条数并使小车从同样的位置被弹出;测出小车被弹出后的速度,寻找牵引力对小车做的功与小车速度的关系。
一
二
三
四
2.方案二:由重物通过滑轮牵引小车,如图所示。
改变重物的质量或者改变小车运动的距离,也就改变了牵引力做的功,从而探究牵引力做的功与小车获得的速度间的关系。
一
二
三
四
四、实验步骤(以方案一为例)
1.按实验要求安装好实验仪器。
2.平衡摩擦力:将安装有打点计时器的长木板的一端垫起,纸带穿过打点计时器,不挂橡皮筋,闭合电源,轻推小车,打点计时器在纸带上打出间隔均匀的点。
3.第一次先用一条橡皮筋做实验,用打点计时器和纸带测出小车获得的速度v1,设此时橡皮筋弹力对小车做功为W,并将得到的数据记入表格。
4.换用2条、3条、4条、…同样的橡皮筋做实验,并将橡皮筋拉伸的长度都和第一次相同,测出v2、v3、v4、…,橡皮筋对小车做功分别为2W、3W、4W、…,将数据记入表格。
5.分析数据,尝试作W-v,W-v2等图象,探究W、v的关系。
实验指导
典例剖析
一、注意事项
1.适度平衡小车受到的摩擦力。
2.每次实验小车都要从同一位置由静止开始运动。
3.应选择粗细均匀,一致性好的橡皮筋。
4.橡皮筋的拉伸长度要适度。
5.使小车挂住橡皮筋的中点,放正小车,使小车沿木板的中间线运动。
实验指导
典例剖析
二、误差分析
实验指导
典例剖析
三、数据处理
1.速度数值的获得:实验获得的是如图所示的纸带,为探究橡皮筋弹力做功与小车速度的关系,需要测量的是弹力做功结束时小车的速度,即小车做匀速运动的速度。所以,应该在纸带上测量的物理量是图中A1、A3间的距离x,小车此时速度的表达式为 ,其中T是打点计时器的打点周期。即选择相邻距离基本相同的若干点A1、A2、A3、…来计算小车匀速运动时的速度。
实验指导
典例剖析
2.计算小车做的功分别为W、2W、3W、…时对应的v、v2、v3、 、…的数值,填入表格。
3.判断W与v、v2、v3、 、…的可能关系或尝试着分别画出W与v、W与v2、W与v3、W与 间关系的图象,找出哪一组的图象是直线,从而确定功与速度的正确关系。
实验指导
典例剖析
【例题1】(对实验原理及实验过程的考查)用如图所示的装置,探究功与物体速度变化的关系。实验时,先适当垫高木板,然后由静止释放小车,小车在橡皮筋弹力的作用下被弹出,沿木板滑行。小车滑行过程中带动通过打点计时器的纸带,记录其运动情况。观察发现纸带前面部分点迹疏密不匀,后面部分点迹比较均匀,回答下列问题:
(1)适当垫高木板是为了 。?
(2)通过纸带求小车速度时,应使用纸带的 (选填“全部”“前面部分”或“后面部分”)。?
(3)若实验做了n次,所用橡皮筋分别为1条、2条、…、n条,通过纸带求出小车的速度分别为v1、v2、…、vn用W表示橡皮筋对小车所做的功,作出的W-v2图线是一条过坐标原点的直线,这说明W与v的关系是 。?
实验指导
典例剖析
解析:(1)为使橡皮筋对小车做的功等于合力对小车做的功,需利用小车重力沿木板方向的分力平衡摩擦力。
(2)实验中需要求橡皮筋做功后小车获得的速度,所以应用纸带的后面部分。
(3)“过原点的直线”意味着纵横坐标轴对应的两个量成正比关系。
答案:(1)平衡摩擦力 (2)后面部分 (3)W与v2成正比
实验指导
典例剖析
【例题2】 (实验数据的处理)图甲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点的纸带测出。
实验指导
典例剖析
(1)除了图中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。
实验指导
典例剖析
实验指导
典例剖析
(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∝ ,请你根据表中测定的数据在如图乙所示的坐标系中作出相应的图线验证理论的正确性。?
(6)若在实验中你作出的图线与理论的推测不完全一致,你处理这种情况的做法是 。?
实验指导
典例剖析
解析:(1)计算小车速度需要测量纸带上的点的距离,要用到刻度尺。
(2)要让不挂橡皮筋时的小车在木板上匀速运动,因而木板要倾斜以平衡摩擦力。
(3)小车匀速运动时,纸带上的点的间隔均匀,应选纸带上点距均匀的部分进行测量。
(4)橡皮筋每增加一条,对小车做的功就增加W。
(5)用纵坐标表示速度的二次方,横坐标表示功,利用描点法描出各组数据对应的点,然后连线作出 图象,如图所示。
实验指导
典例剖析
实验指导
典例剖析
实验指导
典例剖析
变式训练 在探究功与物体速度变化的关系实验中,我们用1条、2条、3条…同样的橡皮筋进行1次、2次、3次…实验。实验中,如果橡皮筋拉伸的长度都相等,那么每次橡皮筋对小车做的功可记作W、2W、3W…对每次打出的纸带进行处理,求出小车每次最后匀速运动时的速度v,记录数据如下。?
实验指导
典例剖析
(1)据以上数据,在图中的坐标纸上作出W-v2图象。
(2)根据图象可以作出判断,力对小车所做的功与 。?
实验指导
典例剖析
解析: (1)W-v2图象如图所示
(2)速度的二次方成正比
答案:见解析
实验指导
典例剖析
【例题3】 (创新设计实验)如图所示,汽车已成为人们外出的重要交通工具之一,评价汽车性能的主要指标有动力性、经济性、稳定性、制动性等,其中制动性主要是指在良好的路面上,汽车迅速降低车速直到停车的距离,表中记录的是汽车以不同速率行驶时,制动后所经过的距离。
请根据表中的数据,用图象分析推断克服阻力做功与汽车速率变化之间的关系。
实验指导
典例剖析
解析:制动过程中阻力不变,设每制动1 m,克服阻力做的功为W1,则制动4 m、16 m、25 m、36 m,克服阻力做的功分别为4W1、16W1、25W1、36W1,作出W-v图象如下图所示。
可见W与v不是正比关系,猜想W与v2成正比,作出W-v2图象如下图所示。
实验指导
典例剖析
可见W与v2成正比。
答案:见解析
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1.关于功与物体速度变化的关系,你的探究结论是( )
A.W∝v B.W∝v2
C.W∝v3 D.W∝
答案:B
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2.关于探究功与速度变化的关系的实验中,下列叙述正确的是( )
A.每次实验必须设法算出橡皮筋对小车做功的具体数值
B.每次实验中,橡皮筋拉伸的长度没有必要保持一致
C.放小车的长木板应该尽量使其水平
D.先接通打点计时器的电源,再让小车在橡皮筋的作用下弹出
解析:本实验没有必要测出橡皮筋做的功到底是多少,只要测出以后各次实验时橡皮筋做的功是第一次实验时的多少倍就已经足够了,选项A错误;每次实验橡皮筋拉伸的长度必须保持一致,只有这样才能保证以后各次实验时,橡皮筋做的功是第一次实验时的整数倍,选项B错误;小车运动中会受到阻力,只有使木板倾斜到一定程度,才能减小误差,选项C错误;实验时,应该先接通电源,让打点计时器开始工作,然后再让小车在橡皮筋的作用下弹出,选项D正确。
答案:D
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3.(多选)在探究功与速度变化的关系的实验中,某同学是用下面的方法和器材进行实验的:放在长木板上的小车,由静止开始在几条完全相同的橡皮筋的作用下沿木板运动,小车拉动固定在它上面的纸带,纸带穿过打点计时器。关于这一实验,下列说法中正确的是( )
A.长木板要适当倾斜,以平衡小车运动中受到的阻力
B.重复实验时,虽然用到橡皮筋的条数不同,但每次应使橡皮筋拉伸的长度相同
C.利用纸带上的点计算小车的速度时,应选用纸带上打点最密集的部分进行计算
D.利用纸带上的点计算小车的速度时,应选用纸带上打点最稀疏的部分进行计算
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解析:在本题的实验中,由于小车在运动中受到阻力(摩擦力和纸带的阻力),所以要使长木板适当倾斜,以平衡小车运动过程中受到的阻力,重复实验时,为了使橡皮筋对小车所做的功与它的条数成正比,所以用到橡皮筋的条数虽然不同,但每次应使橡皮筋拉伸的长度相同,利用纸带上的点计算小车的速度时,由于要计算的是小车脱离橡皮筋后匀速运动的速度,所以应选用纸带上打点最稀疏的部分进行计算,故选项A、B、D正确。
答案:ABD
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4.探究功与速度变化的关系的实验装置如图所示,当小车在2条橡皮筋的作用下弹出时,橡皮筋对小车做的功记为W0。当用4条、6条、8条、…完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、第4次、…实验时,橡皮筋对小车做的功记为2W0、3W0、4W0、…,每次实验中由静止弹出的小车获得的最大速度可由打点计时器所打的纸带测出。
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关于该实验,下列说法正确的是( )
A.打点计时器可以用直流电源供电,电压为4~6 V
B.实验中使用的若干根橡皮筋的原长可以不相等
C.每次实验中应使小车从同一位置由静止弹出
D.利用每次测出的小车最大速度vmax和橡皮筋做的功W,依次作出
…的图象,得出合力做功与物体速度变化的关系
解析:实验应用交流电源,选项A错误;实验中使用的橡皮筋原长应相等,选项B错误;每次实验中应使小车从同一位置由静止弹出,选项C正确;作出各种不同形式的图象,才能判断做功与速度变化的关系,选项D正确。
答案:CD
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5.(选做题)在探究功与速度变化的关系实验中(装置如图甲):
(1)下列说法正确的是 。(填选项前字母)?
A.平衡摩擦力时必须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.实验时,应使小车靠近打点计时器后由静止释放
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(2)图乙是实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交流电源频率为 50 Hz,则打B点时小车的瞬时速度大小为 m/s。(保留三位有效数字)?
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解析:根据实验原理、实验操作步骤、误差分析、注意事项判断;应用运动的平均速度等于中间时刻的瞬时速度求瞬时速度;根据实验原理图连接实物,根据测量数据分析物理量间的关系。
(1)平衡摩擦力是让小车重力的下滑分力与摩擦力平衡,故不能挂钩码平衡摩擦力,选项A错误;本实验中,近似认为小车所受拉力等于钩码的重力,因此应使钩码的质量远小于小车的质量,选项B错误;实验时,为充分利用纸带,应使小车靠近打点计时器后由静止释放,选项C正确。
答案:(1)C (2)0.653