实验五 探究功与物体速度变化的关系(实验考点总结).pdf

实嬲五探究切与物体速度变化的关系要直斛镇.层层折YAO DIAN J IE DU CENG CENG XI一、实验目的1.探究外力做功与物体速度变化的关系.2.通过分析论证和实验探究，培养实验探究能力和创新 精神.二、实验原理如图实一5 1所示，小车在橡皮筋的作用下弹出，沿 木板滑行.当我们用2条、3条同样的橡皮筋进行第2次、第3次实验时，使每次实验中橡皮筋拉伸的长度 都保持一致，那么，第2次、第3次实验中橡皮筋对小 车做的功就是第一次的2倍、3倍如果把第一次实验时 橡皮筋的功记为W,以后各次的功就是2W、3W.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.以橡皮筋对小车做的功为纵坐标，小车获得的速度为 横坐 标，以第一次实验时的功W为单位，作出W-v曲线,即功一速度曲线.分析这条曲线，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.或者作出W-V2图 象，指出W与V2的关系，进而找出功与动能变化之间的关 系.三、实验器材小车（前面带小钩）、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）、56条等长的橡皮筋、刻度尺.四、实验操作1.实验步骤按图实一5 1所示将实验仪器安装好，同时平衡摩擦力.先用一条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车获 得的速度看,设此时橡皮筋对小车做的功为将这一组 数据记入表格.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W2,测出小车获得的速 度V2,将数据记入表格.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.2.数据处理测量小车的速度：实验获得如图实一5 2所示的纸带,为探究橡皮筋弹力做的功和小车 速度的关系，需要测量弹力做功结束时小车的速度，即小车做匀 速运动的速度，应在纸带上测量Ai A2 4的物理量是:A”A2间的距离X,图实5 2小车速度的表达式是v=卡（T为打 点计时器的时间间隔）.实验数据记录橡皮筋 条数位移x/m时间t/s速度v/（m节1）速度平方 V2/(/W2-2)（3）实验数据处理及分析：在坐标纸上（图实一53）画出/一丫和0丫2图线（“/”以一根橡皮筋做的功为单位）.图实5 3实验结论：从图象可知功与物体速度变化的关系为Wav?.五、注意事项1.平衡摩擦力很关键，将木板一端垫高，使小车的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做匀速运 动，找到木板的一个合适的倾角.2.测小车速度时，纸带上的点应选均匀部分的，也就是选小 车做匀速运动状态的.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.六、误差分析1.误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋 的拉力做的功W与橡皮筋的条数不成正比.2.没有完全平衡摩擦力（倾角小）或平衡摩擦力过度（倾角过 大）也会造成误差.3.利用打上点的纸带计算小车的速度时，测量不准带来误差.nipKviaNvia onvh ova n KviaEH皿|（2010 金华模拟）科学规律的发现离不开科学探 究，而科学探究可以分为理论探究和实验探究.下面我们用实验探究恒力做功和物体动能变化之间的关系.某同学的实验设计方案如图实一54所示，该实验用 钩码的重力表示小车受到的合外力，为此，实验时在安 装正确、操作规范的前提下（已平衡摩擦力），还需要满 足的条件是.纸带、头3666图实一 5一4(2)图实一5 5所示是某次实验中得到的一条纸带，其中A、B、C、D、E、F是该同学确定的计数点，相邻计数点 间的时间间隔为T,距离如图所示.则打C点时小车的速 度为;要验证合外力的功与动能变化间的关系，除位移、速度外，还要测出的物理量有.ABC 一%广 A%2f A%3图实DEF 不一 A44-4，八”5-5-5解析(1)只有当钩码的重力远小于小车的总重力时，才 能近似地认为小车受到的拉力等于钩码的重力.(2)C点的速度等于BD段的平均速度，故Vc=君学.要验证合外力做的功和动能变化间的关系，需要测出小车受到的拉力大小(钩码的重力)和小车位移(W=Fx),以及小1车的质量和速度偈=十mv7所以还需要测出钩码的重 力和小车的总质量.答案(1)钩码的重力远小于小车的总重力(2)二产 钩码的重力和小车的总质量乙,L例2（2009广东高考）某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“动能定理”.如图实一5 6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。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 以放置祛码.拉力传串器速度传感器图实一 5一6(1)实验主要步骤如下：测量_和拉力传感器的总质量把细线的一 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；将小车停在C点，,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.在小车中增加祛码，或,重复的操作.(2)下表是他们测得的一组数据，其中M是Mi与小车中祛 码质量之和，h22v 口是两个速度传感器记录速度的平 方差，可以据此计算出动能变化量AE,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AE，W3=.(结果保留三位有效数字)次数M/kgIv12v22|/(m/s)2A日JFINW/J10.5000.7600J900.4000.20020.5001.650.4130.8400.42030.5002.4021E31.220w341.0002.401.202.4201.215rooo2.841.422.8601.43根据上表，请在图实一5 7所示的方格纸上作出AE 一W图线.1111-1 1 1 1-t 1 i-r 1-+H-1-1,Illiiiii iiii-+4-1-1-_IIIIIlli iiii i-i-r r-T 1-1-1-._I_L L.IIIIiiii iiii-i-rT-1 1-1-+-._I_LL_IIIIiiii iiii-|-rr-r-l-l-l-H-_I_LL_L_IIIIiiii iiii-r r t1-i-4-+4 _L J_1 J-IIIIIlli T11T,-1-i-i-r,-4-i-i-t,_1_.IlliIIII-T-1-+4-1 1-_IIIIIIII-|rrr-i-i-r r-1 1-1-4-1 1 1 1IIII i-rrT-i-r i-1一 -I-I-I-+-._I_LL1_IIIIIIII lTTT-i-i-r-t-一1-1-1-T-_I_LL_L_IIIIIIII TrTT-r r t-i-i-4-+-i _LL1J_IIIIIlli Ti i i T 1 1一1-+-1-1-1,!_.IlliIIII IIII-+4-1 1-_.IIIIIIII IIII-|-|-r r-T 11-4-._I_L L.IIIIIIII IIII,n-r I I-I-+-._I_LL_IIIIIIIIIIII-rrn-1-1-i-f-_I_LL_L_IIIIIIII i i T-LT-|一-1-4-+T-_L J_1 J_ IIIIIlli-1 1 1 1-th Tr,-+H-|-HIlliIIII IIII-T 11-|-十 T-1-1 _IIIIIIIIIIII i-|-r r-T-1-1-4-IIIIIIII IIII-i-r rr-I-I-h+-IIIIIIII IIII-|-m-一1-1-1 T-IIIIIIII IIII-r r t1-I-I-+-_l_ J-X-I-iiiiIlli-t-i-i-r 1-+-1 1-1 .，_!_.Illi 1 1 1 1IIII-T 1-1-1-+-1-1-1 IIII IIIIIIII1-ll r-1 1 1-4-IIII IIIIIIII-i-l rr-I-1-1-+-._I_I_L_IIII IIIIIIII-i-m-一一 J 4 T 一 _l_ L L J _IIII IIIIiiii-r r t n-i-4-+-i-_L J_X J_ iiii iiiiIlli-r-i-i-r,4-T-J,IlliIIII-T-1-l-l-+U-1-_.IIIITI-TLIIII-i-i-r r-I l ._I_L L.IIIIIIII-i-r l 十.，_ 一 J J 1-一I_LL _L_ IIII,rm-IIII-I-rr-t-一 一 J 4.L L_ IIII rrriiiii L T f r-一 J，4 T 一 _L J_1 J_IIII-T1-图实一 5 一 7解析(1)该实验的研究对象是小车及固定在小车上 的拉力传感器，因此，应测量小车和拉力传感器的总质 量，将小车停在C点，再释放小车，重复操作，多得 几组数据时，有两个措施；改变小车质量(在小车中增加 祛码)和改变拉力大小(改变钩码的个数).1(2)AE3=/WI-i/I=O.GOOZW2=F3L=0.610J(3)选取适当标度，描点连线如图实一58所示.l 1 1 1-hu-T-i-I-Xj-t-一 J _l_Lll_ 1 1 1 lIIII-LT-|一-+-一I J 一 _I_L _L_IIIIIIII 一|一厂 T 1-1 I-+H-一 1一二 4一一 _ L _L_IIIIllll 一|-T1-1卜+T-一 1一 L 4一 _L _L_ llllllll-r t n-ri-F H-1 一 L4一1 一1一 _Lllllllll-nn-r一 L一一 1一_!,_IIIIIlli-r i-T-i-1卜+T 一 一l-L!一 _LL1_IlliJillT-i-1-K+T-一|_、一 _LLl l i lllll-|-1-T-l-一 1一卜+T 一一_ L J._llllllll-i-rri-一 1一卜+T 一一一llllllll-r 1-i-i-一4 4 T 一1一-J-L-1-1-_L_ llllllll-T 1 1 一 L 一 k d T 一 1一 _!,_-LdJ-L llllIlli-1卜+T-LLX-I-_LLJ_Illi Illillll1-F+-1 一l-L，一 _I_L _L_ IIII IIIIl 1 1 1+H-l-X一-1-、_1 1 l llll、llll-1-I-+H 一L J_._L_L_ llll llllllll-i-h H-1 _ L_ _Lllll llllllll-卜-FT-l-_ L_l_ _ L_llll llllIlli 一J L，一一 _LL1J_Illi Illi-rrTi-IIII 一IJ 一一，L J_IIII IIII 一rti-llll一 1一 J 3一一llllllll-rrTn-1 1 1 1-一 1、11 1 l rrT-Tllll 一 1 4 一一1一 _ L J.J _l_llll llllTTH-rllll-t 4-1-1_ L_ llll llll-r 7 n-r-LL1J_ iiii-rrin-r rT-i-1-b+-1-IIII-LL1J.iiii-rrin-rrTn-1 1-4-1 IIII_L L1J _ iiii一T 1-L T 1-1-F+T-llll_ L J._ iiii 一厂T 1 一 T T 1 一-1-1-+T 一 llll、_X 1 1 一7丁 tt-rrr-1-F T1 1 1 1、-LJJ_L llll-11一厂-r t-|-|一 一卜-F T-1一 llll_i_Li j_ iiii 一厂-i-1-+-i-IIII_i_Li J_ iiii rrin-i-+-i-IIII_L L i J _ llll 一|-T1-r rTi-1一 1-十 T-_L L i J _ lllliTTn 一1一T 1 一-1-t-十 T 一_ L i J _i_ iiii r i n t 一 r t 一|一 1-!T-1一工_L Tsj i iTTO-r-ri太-t-t Tg g OQo LOoL0 oLO z o8IinI 就 国inoogoLQ Z oO答案小车释放小车改变钩码数量(2)0.600 0.610如图实一 5-8所示实验六验证机械能守恒定律要直斛镇.层层折YAO DIAN J IE DU CENG CENG XI一、实验目的验证机械能守恒定律.二、实验原理1.在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能互相转化，但总的机械能保持不变.若物体某时刻瞬时速度为V,下落高度为小 则重力势能的减少量为mgh动能的增加量为:mv29看它们在实验误差允许的范围内是否相等，若相等则验证了机械能守 恒定律.2.速度的测量：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点之间的平均速度以=-2t计算打第0个点速度的方法：测出第n个点与相邻前后q+q点间的距离X和x+i，由公式尸 或4=h h.二；T算出，如图实一61所示.01 2 3 4)5 n-1 n n+1/图实6 1三、实验器材铁架台（含铁夹），打点计时器，学生电源，纸带，复 写纸，导线，毫米刻度尺，重物（带纸带夹）.四、实验操作 打点Rjg带1.实验步骤 T：昌以安装置：按图实一62所示将检查、夹子 重物调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路.11图实62(2)打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止 在靠近打点计时器的地方.先接通电源，后松开纸带,让重物带着纸带自由下落.更换纸带重复做35次实验.(3)选纸带：分两种情况说明1用 mu2=mghn验证时，应选点迹清晰，且1、2两点间距离小于或接近2 mm的纸带.若1、2两点间 的距离大于2 mm,这是由于先释放纸带后接通电源造 成的.这样，第1个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选.用；m%2_ J mv/=mgAh验证时，由于重力 势能的相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否大于2 mm就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可选用.2.数据处理测量计算在起始点标上0,在以后各点依次标上1、2、3用刻度尺测出对应下落高度儿、h2 h3利用公式4=*丁一计算出点1、点2、点3、的瞬时速度、v2 v3(2)验证守恒法一：利用起始点和第n点计算.代入g吟 vn2,如果在实验误差允许的条件下，ghn=-l vn2,则机械能守恒定律是正确的.法二：任取两点计算.任取两点A、B测出Ivb，算出ghAB.1 1算出+VB2 Va2的值.在实验误差允许的条件下，如果g hAB二;vBVa?，则机械能守恒定律是正确的.法三：图象法.从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h,并计算各点速度的平方v2,然后以十V2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出十V2 h图线.若在误差允许的范围内图象是一条过原点且 斜率为g的直线，则验证了机械能守恒.五、注意事项1.打点计时器要稳定地固定在铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔调整到竖直方向，以减小摩擦阻力.2.重物要选用密度大、体积小的物体，这样可以减小空气阻力的影响，从而减小实验误差.3.实验中，需保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，4.速度不能用Vn=g*或丫二咫/计算，因为只要认为加速为g,机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机 械能守恒定律，况且用Vn=gtn计算出的速度比实际值大，会得出机械能增加的结论，而因为摩擦阻力的影响，机械 能应该减小，所以速度应从纸带上直接测量计算.同样的1 V 2道理，重:F落的高度片 也只能用刻度尺直接测量，而不 2 2g能用，=gt“2或，=计算得到.六、误差分析1.本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力（空气阻力、打点计时器阻力）做功，故动能的增加量 AEk稍小于重力势能的减少量AEp,即AEsAEp,这 属于系统误差.改进的办法是调整器材的安装，尽可 能地减少阻力.2.本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误 差.减小误差的办法是测下落距离时都从0点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完.或者采用多 次测量取平均值来减小误差.骡例导航.五百金AN LI DAO HANG DIANDIAN JIN（2010.茂名模拟）在“验证机械能守恒定律”的实验中，有如下可供选择的实验器材：铁架台、打点计 时器以及复写纸、纸带、低压直流电源、天平、秒表、导 线、电键.其中不必要的器材是,缺少的 器材是.(2)用如图实一 63所示的实验装置验证 机械能守恒定律，实验所用的电源为学生 电源，输出电压有6阴I交流电和直流电 两种.重锤从高处由静止开始落下，重锤 上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列 的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即可验证机械能守恒定律.下面列举了该实验的几个操作步骤：A.按照图示的装置安装器件；B.将打点计时器接到电源的直流输出端上；C.用天平测量出重锤的质量；D.释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸带;E.测量打出的纸带上某些点之间的距离；F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能.指出其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤，将其选项对应的字母填在下面的横线上，并说明其原因.答:解析不必要的器材是低压直流电源、天平、秒 表.缺少的器材是低压交流电源、重物、刻度尺.步骤B是错误的，应该接到电源的交流输出端.步骤 D是错误的，应该先接通电源，待打点稳定后再释放纸 带.步骤C不必要，因为根据测量原理，重锤的动能和势 能中都包含了质量m,可以约去.答案见解析例2在利用电磁打点计时器（电磁打点计时器所用电 源频率为50 Hz）“验证机械能守恒定律”的实验中：某同学用如图实一64所示的装置进行实验，得到如 图实一6一5所示的纸带，把第一个点（初速度为零）记作O 点，测出点0、A间的距离为68.97cm,点A、C间的距离 为15.24 cm,点C、E间的距离为16.76 cm,已知当地的重 力加速度为9.8m/$2,重锤的质量为m=L0kg,则打点计时器在打O点到（:点的这段时间内，重锤动能的增加量为_L重力势能的减少量为图实6 4单位:cm图实65(2)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度2=_m/s2.(3)在实验中发现，重锤减少的重力势能总大于重锤增加的动能，其原因主要是因为在重锤带着纸带下落的过程中存 在着阻力的作用，用题目中给出的已知量求出重锤下落过 程中受到的平均阻力大小为 N.解析 本题主要考查“验证机械能守恒定律”这个实 验的基本原理、应用及误差分析，并且综合考查了牛顿 第二定律.(1)C点速度_ XAE _ XAC+%CE 32.00 X102/vc=47=-F-=-Tx002 m/s=4.00 m/ss该过程动能的增加量.1 1AEk=*mvc2=-X1.0X(4.00)2 J=8.00 J该过程重力势能的减少量为AEp=mg hoc=1 0 X 9.8 X(68,97+15.24)XW2 J-8.25 J.%八 一%c加速度(16.76-15.24)10-2(2x0.02)2m/s2=9.50 m/s2.由牛顿第二定律得：mg-Ff=ma 即 Ff=mgma=0.30 N.答案(1)8.00 8.25(2)9.50(3)0.30