《2019版高考物理总复习实验创新增分专题五探究功与速度变化的关系学案201805173107.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019版高考物理总复习实验创新增分专题五探究功与速度变化的关系学案201805173107.doc（17页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、实验五探究功与速度变化的关系一、实验目的1通过实验探究外力做功与物体速度变化的关系。2通过分析实验数据，总结出外力做功与物体速度平方的正比关系。二、实验原理1不是直接测量对小车做功，而是通过改变橡皮筋条数确定对小车做功W、2W、3W、。2由于橡皮筋做功而使小车获得的速度可以由纸带和打点计时器测出，也可以用其他方法测出。这样，进行若干次测量，就得到若干组功和速度的数据。3以橡皮筋对小车做的功为纵坐标，分别以小车获得的速度v、v2、为横坐标，作出Wv、Wv2、曲线，分析这些曲线，可以得知橡皮筋对小车做的功与小车获得的速度的定量关系。三、实验器材小车(前面带小钩)、长木板(在两侧适当的对称位置钉两个
2、铁钉)、打点计时器、纸带、学生电源、导线(若使用电火花计时器则不用学生电源)、5条同规格的橡皮筋及毫米刻度尺。四、实验步骤1仪器安装：(1)按实验原理图将仪器安装好。(2)平衡摩擦力：在长木板有打点计时器的一端下面垫一木块，反复移动木块的位置，直至小车上不挂橡皮筋时，轻推小车，纸带打出的点间距均匀，即小车能做匀速直线运动为止。2测量与记录：(1)先用1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，设此时橡皮筋对小车做的功为W，将这一组数据记入表格。(2)用2条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次相同，这时橡皮筋对小车做的功为2W，测出小车获得的速度v2，将数据记入表格。(3
3、)用3条、4条、橡皮筋做实验，用同样的方法测出功和速度，记入表格。五、数据处理1求速度：实验获得如图所示纸带，利用纸带上点迹均匀的一段测出两点间的距离，如纸带上A、C两点间的距离x，则v(其中T为打点周期)。2记数据：计算W、2W、3W、时对应v、v2的数值，填入表格。3作图象：在坐标纸上分别作出Wv和Wv2图线，从中找出功与速度变化的关系。4得结论：从图象分析外力对物体做功与物体速度变化的关系为Wv2。六、误差分析产生原因减小方法橡皮筋的长度、粗细不同选择规格相同的橡皮条摩擦力做功平衡摩擦力适当小车速度的测量误差多次测量x，求平均值七、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
4、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，也就是选对应小车做匀速直线运动状态的那段纸带。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。考点1基础实验例1某同学现要用图甲来“探究功与速度的关系”，打点计时器的打点频率为50 Hz，试分析下列问题：(1)完成下列部分实验步骤所缺的内容：安装好实验器材，开始小车先不挂钩码，需要对小车进行_的实验操作。给小车挂上钩码进行实验。图乙是从多次实验中
5、选出的一条纸带置于一透明刻度尺上。在纸带上选择起始点O及A、B、C、D、E、F七个计数点，可获得各计数点到O的距离s，由图乙读得O到C点的位移为s3_cm。由图乙求出小车在各计数点的瞬时速度的大小v1、v2、v5，则在打点计时器打下C点时小车的速度为v3_m/s。(2)由图乙可知小车在此次实验时的加速度大小为a_m/s2。(3)计算出打点计时器打下A、B、E时小车瞬时速度的平方 v、v，然后分别求出v、v与v的差值v、v、v，最后计算出小车通过sAB、sBC、sDE的位移时钩码重力对小车做的功W1、W2、W4，最后得到了如图丙所示的v2W图象。通过图象可得到的结论是_ _。(4)若图线的斜率k
6、18，则小车的质量M_kg(结果保留三位有效数字)。解析(1)本实验在实验前首先要对小车进行平衡摩擦力的操作。sABs2s11.65 cm，sBCs3s2s33.20，sDEs5s42.25 cm，sEFs6s52.45 cm。根据匀变速直线运动规律saT2知sBCsABsEFsDE，代入数据得s35.05 cm。由匀变速直线运动规律可得vC cm/s0.49 m/s。(2)由逐差法可得a cm/s21.15 m/s2。(3)合外力对物体做的功等于物体动能的变化量。(4)由动能定理可得WMv2，由此可知图象的斜率为k，由此可求出小车的质量为M。代入数据可求出小车的质量为M kg0.111 kg
7、。答案(1)平衡摩擦力5.035.07(在这个范围内都对)0.49(2)1.15(3)合外力对物体做的功等于物体动能的变化量(4)0.111(1)为使橡皮筋的拉力所做的功为合外力对小车所做的功，必须平衡小车的摩擦力。(2)利用小车拖着纸带，小车做匀速直线运动则摩擦力才算被平衡，此操作一是可通过纸带观察小车是否匀速，二是可同时平衡纸带运动所受的阻力。(3)橡皮筋恢复原长时小车已做匀速直线运动，故应利用纸带上间距相等的部分计算小车速度。(4)利用v计算小车的速度，为减小测量误差，所选的范围应尽量长些，如本题可选AE段求vC。(5)注意刻度尺的精度、估读及单位，注意对结果有效数字的要求。某学习小组做
8、探究“合力的功和物体速度变化关系”的实验如图所示，图中小车是在一条橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行，这时，橡皮筋对小车做的功记为W。当用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，使每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致。每次实验中小车获得的速度由打点计时器所打的纸带测出。(1)除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、刻度尺和_电源(填“交流”或“直流”)。(2)实验中，小车会受到摩擦阻力的作用，可以使木板适当倾斜来平衡摩擦阻力，则下面操作正确的是_。A放开小车，能够自由下滑即可B放开小车，能够匀速下滑即可C放开拖着纸带的小车，能够自由下滑即可D放开拖着纸带的小车，能够匀速下滑即
9、可(3)若木板水平放置，小车在两条橡皮筋作用下运动，当小车速度最大时，关于橡皮筋所处的状态与小车所在的位置，下列说法正确的是_。A橡皮筋处于原长状态B橡皮筋仍处于伸长状态C小车在两个铁钉的连线处D小车已过两个铁钉的连线答案(1)交流(2)D(3)B解析(1)打点计时器使用的是交流电源。(2)小车受到重力、支持力、摩擦力和橡皮筋的拉力，要使拉力等于合力，必须使重力的下滑分力与摩擦力平衡，而摩擦力包括纸带受到的摩擦力和与长木板间的摩擦力，故选D。(3)木板水平放置，小车受摩擦力作用，小车速度最大时，合力为零，即橡皮筋的拉力等于摩擦力，橡皮筋处于伸长状态，未过两个铁钉的连线，B正确。考点2创新实验创
10、新实验也是以完成实验为目的，创新思路和验证牛顿第二定律的创新思路相似。1实验器材的创新(1)利用气垫导轨替代长木板，摩擦阻力可以忽略不计，实验中不必再平衡滑块的摩擦力。(2)利用光电门测量滑块运动的速度更准确。(3)利用力传感器测量细绳的拉力更方便。2实验原理的创新(1)实验研究滑块通过两光电门之间的过程中合外力做功与动能改变量的关系，研究对象为滑块、挡光条和拉力传感器整体。(2)因用拉力传感器直接测细绳拉力大小，故不必满足砝码盘和砝码的总质量远小于滑块、挡光条和拉力传感器的总质量。3实验的迁移也可利用验证机械能守恒定律的实验装置来验证动能定理或功与动能的关系。例2为了“探究动能改变与合外力做
11、功的关系”，某同学设计了如下实验方案：第一步：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的带夹重锤跨过定滑轮相连，重锤后连一穿过打点计时器的纸带，调整木板倾角，直到轻推滑块后，滑块沿木板向下匀速运动，如图甲所示。第二步：如图乙所示，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，使纸带穿过打点计时器，然后接通电源，释放滑块，使之从静止开始向下加速运动，打出纸带，打出的纸带如图丙所示。请回答下列问题：(1)已知O、A、B、C、D、E、F相邻计数点间的时间间隔为t，根据纸带求滑块运动的速度，打点计时器打B点时滑块运动的速度vB
12、_。(2)已知重锤质量为m，当地的重力加速度为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_(写出物理量名称及符号，只写一个物理量)，合外力对滑块做功的表达式W合_。(3)算出滑块运动OA、OB、OC、OD、OE段合外力对滑块所做的功W以及在A、B、C、D、E各点的速度v，以v2为纵轴、W为横轴建立直角坐标系，描点作出v2W图象，可知该图象是一条_，根据图象还可求得_。解析(1)由打出的纸带可知B点的速度为vB。(2)设长木板的倾角为，滑块与长木板间摩擦力为f，当滑块向下匀速运动时，有Mgsinfmg；当滑块向下加速运动时，有F合Mgsinfmg。由做功定义式可知还需要知道滑块下
13、滑的位移x，由动能定理可知W合Ek，即mgxEk。(3)根据W合EkMv2可知v2W图象应该为一条过原点的直线，由直线的斜率k可求M。答案(1)(2)下滑的位移xmgx(3)过原点的直线滑块的质量M(1)找出实验有哪些改进，对比和原实验的不同，找出改进存在的优势。(2)近几年高考考查“探究功与速度变化关系”，有时不用橡皮筋可以利用弹簧代替，还可以借助“探究功与速度变化关系”的实验，测定其他物理量，比如，动摩擦因数、质量、功率等问题。(2017广州模拟)用如图甲所示的实验装置完成“探究功与速率变化关系”实验。请补充完整下列实验步骤的相关内容：(1)用天平测量小车和遮光片的总质量M、砝码盘的质量m
14、0；用游标卡尺测量遮光片的宽度d，游标卡尺的示数如图乙所示，其读数为_cm；按图甲所示安装好实验装置，用米尺测量两光电门之间的距离s。(2)在砝码盘中放入适量砝码；适当调节长木板的倾角，直到轻推小车，遮光片先后经过光电门A和光电门B的时间相等。(3)取下细线和砝码盘，记下_(填写相应物理量及其符号)。(4)让小车从靠近滑轮处由静止释放，用数字毫秒计时器分别测出遮光片经过光电门A和光电门B所用的时间tA和tB。(5)步骤(4)中，小车从光电门A下滑至光电门B过程合外力做的总功W合_，小车动能变化量Ek_(用上述步骤中的物理量表示，重力加速度为g)，比较W合和Ek的值，找出两者之间的关系。(6)重
15、新挂上细线和砝码盘，改变砝码盘中砝码质量，重复(2)(5)步骤。(7)本实验中，以下操作或要求是为了减小实验误差的是_。A尽量减小两光电门间的距离sB调整滑轮，使细线与长木板平行C砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量答案(1)0.520(3)砝码盘中砝码的质量m(5)(mm0)gsM2M2(7)B解析(1)由于游标卡尺是20分度，所测遮光片的宽度应是主尺读数与游标尺两读数之和，即5 mm40.05 mm5.20 mm0.520 cm。(3)在砝码盘中放入适量砝码，适当调节长木板的倾角，直到轻推小车，遮光片先后经过光电门A和光电门B的时间相等，这一步的目的是使取下细线和砝码盘后小车运动所受合外力
16、等于砝码和砝码盘的重力(mm0)g，所以当取下细线和砝码盘时，记下砝码盘中砝码的质量m。(5)小车从光电门A下滑至光电门B过程中合外力做的总功W合(mm0)gs，小车动能变化量EkM2M2，比较W合和Ek的值，找出两者之间的关系。(7)尽量减小两光电门间的距离s，会增大误差，A错误；调整滑轮，使细线与长木板平行，这样细线拉力等于小车做加速运动时受到的合外力，有利于减小误差，B正确；本实验没有用砝码和砝码盘的重力代替细线的拉力，故不需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量，C错误。1(2017湖南四校联考)某实验小组要探究力对物体做的功与物体获得的速度的关系，选取的实验装置如图所示。(1)实
17、验时，在未连接橡皮筋时将木板的左端用小木块垫起，使木板倾斜合适的角度，打开打点计时器，轻推小车，最终得到如图甲所示的纸带，这样做的目的是_ _。(2)在正确操作的情况下，打在纸带上的点并不都是均匀分布的，为了计算小车获得的速度，应选用图乙纸带的_(填“AF”或“FI”)部分。(3)小车在一条橡皮筋的作用下由某位置静止弹出，沿木板滑行，当小车的速度最大时，橡皮筋对小车做的功为W。再用完全相同的2条、3条、n条橡皮筋作用于小车上，每次在_(填“相同”或“不相同”)的位置由静止释放小车，使橡皮筋对小车做的功分别为2W、3W、nW。(4)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、v
18、2、v3、vn，作出Wv图象。则下列符合实际的图象是_(填字母序号)。答案(1)平衡摩擦力(2)FI(3)相同(4)D解析(1)纸带上打出的点迹均匀，说明小车做匀速直线运动，这样做的目的是平衡摩擦力。(2)纸带在橡皮筋的拉力作用下做加速运动，橡皮筋做功完毕后，小车的速度达到最大，之后做匀速直线运动，因此匀速直线运动时的速度即为该过程中小车的最大速度，故为了测量小车获得的速度，应选用纸带上点迹均匀分布的部分测量，即FI。(3)橡皮筋的拉力为变力，采用倍增法增加功，使小车在一条橡皮筋的作用下由静止弹出，当小车的速度最大时，橡皮筋对小车做的功为W；再用完全相同的2条、3条、n条橡皮筋作用于小车上，每
19、次由静止释放小车时橡皮筋的伸长量都相同，使橡皮筋对小车做的功分别为2W、3W、nW，所以每次应在相同的位置由静止释放小车。(4)功与速度的平方相对应，所以图象应为D。2(2017北京高考)如图1所示，用质量为m的重物通过滑轮牵引小车，使它在长木板上运动，打点计时器在纸带上记录小车的运动情况。利用该装置可以完成“探究动能定理”的实验。图1(1)打点计时器使用的电源是_(选填选项前的字母)。A直流电源 B交流电源(2)实验中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正确操作方法是_(选填选项前的字母)。A把长木板右端垫高 B改变小车的质量在不挂重物且_(选填选项前的字母)的情况下，轻推一下小车。若小车拖着纸带做
20、匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响。A计时器不打点 B计时器打点(3)接通电源，释放小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，将打下的第一个点标为O。在纸带上依次取A、B、C若干个计数点，已知相邻计数点间的时间间隔为T。测得A、B、C各点到O点的距离为x1、x2、x3如图2所示。图2实验中，重物质量远小于小车质量，可认为小车所受的拉力大小为mg。从打O点到打B点的过程中，拉力对小车做的功W_，打B点时小车的速度v_。(4)以v2为纵坐标，W为横坐标，利用实验数据作出如图3所示的v2W图象。由此图象可得v2随W变化的表达式为_。根据功与能的关系，动能的表达式中可能包含v2这个因子；分析实
21、验结果的单位关系，与图线斜率有关的物理量应是_。图3(5)假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响，若重物质量不满足远小于小车质量的条件，则从理论上分析，图4中正确反映v2W关系的是_。答案(1)B(2)AB(3)mgx2(4)v24.7W(4.5W5.0W均认为正确)质量(5)A解析(1)打点计时器使用交变电流，故应选B。(2)平衡摩擦力和其他阻力时采用垫高长木板右端，使小车的重力的分力与摩擦力及其他阻力平衡，阻力包含了打点时振针与纸带之间的摩擦，故需要在打点状态下判断是否达到平衡要求。(3)由做功公式知：Wmgx2；利用匀变速直线运动中间时刻的速度等于这段时间内的平均速度知，B点速度等于A
22、C段的平均速度，即vB。(4)根据图线，关系式写为v2kWb，在直线上取两点，如(1.4102,0.07)(8102,0.38)，代入上式，解得k4.7，b0.004，在作图误差允许的范围内，表达式可写为v24.7W。把功的单位用基本单位表示，JNmkgm2s2，容易得出与图线斜率有关的物理量单位为kg1，故与图线斜率有关的物理量应是质量。(5)若重物质量m不满足远小于小车质量M，则绳子对小车的拉力F实际不等于重物的重力，由mg(Mm)a和FMa知Fmg，由动能定理得：FxMv20即mgxMv2，而Wmgx，代入整理可得v2W，则实际v2W图线的斜率k不变，所以v2W图线是一条过原点的直线，选
23、项A正确。3(2014天津高考)某同学把附有滑轮的长木板平放在实验桌上，将细绳一端拴在小车上，另一端绕过定滑轮，挂上适当的钩码，使小车在钩码的牵引下运动，以此定量探究绳拉力做功与小车动能变化的关系。此外还准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸、纸带、小木块等。组装的实验装置如图所示。(1)若要完成该实验，必需的实验器材还有哪些_。(2)实验开始时，他先调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的细绳与木板平行。他这样做的目的是下列的哪个_(填字母代号)。A避免小车在运动过程中发生抖动B可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰C可以保证小车最终能够实现匀速直线运动D可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的
24、合力(3)平衡摩擦力后，当他用多个钩码牵引小车时，发现小车运动过快，致使打出的纸带上点数较少，难以选到合适的点计算小车速度。在保证所挂钩码数目不变的条件下，请你利用本实验的器材提出一个解决方法：_ _。(4)他将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功，经多次实验发现拉力做功总是要比小车动能增量大一些。这一情况可能是下列哪些原因造成的_(填字母代号)。A在接通电源的同时释放了小车B小车释放时离打点计时器太近C阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平衡掉D钩码做匀加速运动，钩码重力大于细绳拉力答案(1)刻度尺、天平(包括砝码)(2)D(3)可在小车上加适量的砝码(或钩码)(4)CD解析(1)实验要通过纸带
25、测速度，需要刻度尺，要分析动能的变化，必须要测出小车的质量，因此还需要天平。(2)实验中调节定滑轮的高度，使细绳与木板平行，可在平衡摩擦力后使细绳的拉力等于小车所受的合力，如果不平行，细绳的拉力在垂直于木板的方向上就有分力，改变了摩擦力就不能使细绳拉力等于小车所受的合力，D正确。(3)在所挂钩码个数不变的情况下，要减小小车运动的加速度，可以增大小车的质量，即可在小车上加适量的砝码(或钩码)。(4)如果用钩码重力做的功当作细绳拉力做的功，发现拉力做的功总比小车动能的增量大，原因可能是阻力未被完全平衡掉，因此拉力做功一部分用来增大小车动能，一部分用来克服阻力做功；也可能是钩码做加速运动，因此细绳的
26、拉力小于钩码的重力，钩码的重力做的功大于细绳的拉力做的功，即大于小车动能的增量，C、D正确。4(2017深圳模拟)某同学用如图1所示装置来探究“功与速度变化关系”，得到一条如图2所示的纸带，O点为第一个点，并在纸带清晰段依次标记了A、B、C三个点，用毫米刻度尺测得各点到O点的距离如图，重物质量m1.00 kg。(1)电火花打点计时器应选择以下哪种电源_。A46 V、50 Hz交流电源B220 V、50 Hz交流电源(2)从O点到B点，重物的重力做功WG_J，动能的增加量Ek_J。(g取10 m/s2，结果均保留三位有效数字)答案(1)B(2)7.787.59解析(1)电火花打点计时器使用220
27、 V、50 Hz的交流电源，B正确。(2)从O点到B点，重物的重力做功WGmgh1.00100.7776 J7.78 JB点的速度vB m/s3.895 m/s，B点的动能EkBmv7.59 J动能的增加量EkEkB07.59 J。5某实验小组利用图示装置进行“探究功与速度变化关系”的实验，实验步骤如下：A挂上钩码，调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速运动；B打开速度传感器，取下轻绳和钩码，保持A中调节好的长木板倾角不变，让小车从长木板顶端静止下滑，分别记录小车通过速度传感器1和速度传感器2时的速度大小v1和v2；C重新挂上细绳和钩码，改变钩码的个数，重复A到B的步骤。回答
28、下列问题：(1)按上述方案做实验，长木板表面粗糙对实验结果是否有影响？_(填“是”或“否”)。(2)若要验证动能定理的表达式，还需测量的物理量有_。A悬挂钩码的总质量mB长木板的倾角C两传感器间的距离lD小车的质量M(3)根据实验所测的物理量，动能定理的表达式为：_。(重力加速度为g)答案(1)否(2)ACD(3)mglM(vv)解析小车在重力、斜面弹力、摩擦力、细线拉力作用下处于平衡状态，撤去钩码后小车的合外力大小等于钩码的重力大小，所以长木板表面粗糙对实验结果没有影响。需要测量的物理量有A、C、D。在撤去钩码后小车受合外力大小等于钩码重力mg。由动能定理可得mglMvMvM(vv)。6(2
29、017温州模拟)如图甲所示，某同学在做“探究功与速度变化的关系”的实验。当小车在1条橡皮筋的作用下沿木板滑行时，橡皮筋对小车做的功记为W。当用2条、3条橡皮筋重复实验时，设法使每次实验中橡皮筋所做的功分别为2W、3W(1)图甲中电火花计时器的工作电压是_V的交流电。(2)实验室提供的器材如下：长木板、小车、橡皮筋、电火花计时器、纸带、电源等，还缺少的测量工具是_。(3)图甲中小车上有一固定小立柱，如图乙中给出了4种橡皮筋与小立柱的套接方式，为减小实验误差，你认为最合理的套接方式是_。(4)在正确操作的情况下，某次实验所打的纸带如图丙所示。打在纸带上的点并不都是均匀的，为了测量橡皮筋做功后小车获得的速度，应选用纸带的_ _部分进行测量(根据纸带中字母回答)，小车获得的速度是_m/s(结果保留两位有效数字)。答案(1)220(2)刻度尺(3)A(4)GJ0.65解析(1)电火花计时器的工作电压是220 V的交流电。(2)处理实验数据时需要测量两计数点间的距离，因此还需要的器材是刻度尺。(3)橡皮筋最合理的套接方式是A，以A的方式套接释放小车后，橡皮筋不会影响小车的运动。(4)由图丙的纸带可知，GJ部分每两点间的距离相等，小车做匀速直线运动，因此应选用纸带的GJ部分；小车获得的速度v0.65 m/s。17