湖南省临湘一中2020年高考物理总复习 第18讲 实验：探究功与速度变化的关系能力提升学案 新人教版必修2

湖南省临湘一中2020年高考物理总复习 第18讲 实验：探究功与速度变化的关系能力提升学案 新人教版必修2

第18讲 实验：探究功与速度变化的关系 ‎ 考点1 实验设计的思想方法 本实验的核心思想仍是控制变量法，保持小车质量不变，探究外力做的功与小车速度变化的关系．‎ ‎ 探究思路：‎ ‎(1)在如图l9—1所示的装置中，释放小车，拉伸的橡皮筋对小车做功，使小车获得速度。第一次实验设橡皮筋对小车所做的功为W．后面的实验中都保持橡皮筋的拉伸长度与第一次一致，橡皮筋的条数分别为原来的2倍、3倍、…，橡皮筋对小车所做的功分别为2W、3W、…‎ ‎(2)由纸带和打点计时器分别测出小车获得的速度vl、v2、v3、…‎ ‎(3)以橡皮筋对小车做的功为纵坐标(以第一次实验时的功W为单位)，小车获得的速度为横坐标，作出W一v曲线。‎ ‎(4)如果W—v曲线是一条直线，表明；如果不是直线，可着手考虑是否存在下列关系：、、、…‎ ‎【考题l】为了让功成倍地增加，你应该怎样做? 你测出功是多少了吗?‎ ‎【解析】 选用相同的橡皮筋，使其伸长量相同，使橡皮筋条数成倍地增加，这样就会使功成倍地增加，而不必要测出功的多少。采用倍增的方法，既便于测量，又简化了计算。‎ ‎【变式1】 课本中利用不同数目的橡皮筋拉动小车做功，对此，你有何认识?‎ 考点2 实验过程与注意事项 实验前务必平衡摩擦力，每次改变橡皮筋数目后,必须从第一次实验的位置开始释放小车。‎ 实验前的仪器准备 ‎(1)准备橡皮筋 市售的橡皮筋规格不能满足实验要求，而且用至4根以上时弹力过大，使打出的纸带点数过少，以免找不出小车不受力匀速运动时所打出的点。可以选择服装中使用的多股橡皮筋的松紧带，外形有带状和圆柱状。‎ ‎(2)在长木板上，小车、铁钉、打点计时器的位置应调整适当，以保证打出的纸带上的点便于处理，求出小车运动的速度。‎ ‎(3)若小车的质量较小，当用多条橡皮筋时，小车运动速度过大，可能使打出的纸带上的点数少，难以选到合适的点计算小车的速度，此时可在小车上加lO‎0g～‎200g砝码。‎ ‎(4)实验时可以用6根橡皮筋，打出6条纸带，连同0点可以有7个点，在描绘曲线时比较容易判断曲线的性质。‎ ‎(5)平衡摩擦力时，可使木板略微倾斜，作为补偿。‎ ‎(6)纸带上的点并不都是均匀的，应该选用点迹均匀的部分来确定小车的速度，才是小车的最大速度。‎ ‎(7)本实验无需求出功的具体数值；实验中物体的初速度须为零。‎ 探究过程：‎ ‎(1)按图所示安装调试好实验器材，并将木板上固定打点计时器的一头稍微垫高，使小车能做匀速运动(以纸带上的点迹均匀为准)；‎ ‎(2)先用一条橡皮筋做实验，用打点计时器打出的纸带测出小车的最大速度vl，设此时橡皮筋对小车做功为Wl，将数据记入表格，用标尺记录小车的初始位置；‎ ‎(3)改用2条橡皮筋再做上述实验，小车要从第一次实验的位置开始运动，保证橡皮筋的拉开长度与第一次相同。记录橡皮筋所做的功W2和小车获得的最大速度v2；‎ ‎(4)改用3条、4条、…重复上述实验，用同样的方法记录所做的功W3、W4、…和速度v3、v4、…；‎ ‎(5)分析数据，看看W与v是什么样的关系，从而作出判断。‎ ‎【考题2】关于探究功与速度变化的关系实验，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，A错；每次实验橡皮筋拉伸的长度必须保持一致，只有这样才能保证各次实验时，橡皮筋做的功是第一次实验时的整数倍，B错；小车运动中会受到阻力，只有使木板倾斜到一定程度，用以平衡摩擦力，才能减小误差，C错；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。D正确。‎ ‎【答案】 D ‎【变式2—1】在探究力对物体做的功与物体速度的关系的实验中，有关小车质量的选择下列说法正确的是( )．‎ A．小车质量应该尽量小一些 B．小车质量应该大一些 C．与小车质量无关 D．以上说法都不对 ‎【变式2—2】小车运动中会受到阻力，可以使木板略微倾斜，作为补偿，木板府该倾斜到什么程度？‎ 考点3 利用纸带求速度 纸带上的点并不都是均匀的，应该选用点迹均匀的部分来确定小车的速度，因为点迹均匀的部分说明小车做的是匀速运动。‎ 由于实验器材和每次操作过程的分散性，尤其是橡皮筋不可能做到各条之间的长度、粗细完全一致，使得每次改变橡皮筋的条数后，纸带上反映小车匀速运动阶段的点数和这些点的位置，不一定都在事先的设定点(即用l根橡皮筋拉小车时，与橡皮筋刚好处于自由长度相对应的纸带上打下的点)之后，而可能在设定点的前后。这是因为小车在几条橡皮筋拉动下运动至设定点时，各条橡皮筋可能在设定点的前、后对小车不产生拉力，从而使纸带上打出的点出现上述情况。‎ 因此，需要对纸带上的点进行分析，方法是比较设定点左右及设定点之后的若干个相邻两点间的距离是否基本相同，选择相邻距离基本相同的若干个点作为小车匀速运动阶段的点，用这些点计算小车的速度。‎ ‎【考题3】如图l9—2所示，小车的运动情况可描述为A、B之间为 运动，C、D之间为 运动，若各点均为实际打的一系列点，打点计时器的频率为50Hz，则匀速时的速度大小为 ．‎ ‎ 【解析】纸带上数据反映了小车的运动情况，由A到B可以看出，相邻两点间的位移越来越大，说明A到B这一段时间内小车所做的运动为加速运动，而C、D之间各时间间隔内的位移相等，故C、D之间小车的运动可看做匀速直线运动，其速度 ‎ ‎【答案】 加速；匀速直线； 0．‎36m/s．‎ ‎【变式3一1】在本节所讲实验中，为了计算由于橡皮筋做功而使小车获得的速度，在某次实验中某同学得到了如图19—3所示的一条纸带，在A、B、C、D中应该选用哪个点的速度才最符合要求?为什么?‎ 考点4 数据的处理与结论的得出 给出W—v和W—v2的关系图线，若W—v为曲线而W—v2为直线，则说明功W与v2成正比。‎ 实验数据处理：‎ ‎(1)用计算法处理实验数据 在确定了橡皮筋对小车所做的功并测出了小车获得的速度后，如果作出的W—v曲线不是一条直线，可以采用计算的方法，即根据测得的速度分别按、、、…算出相应的功的值，实际测得的速度与哪一种最接近，它们之间就具有哪一种关系。‎ ‎(2)用图象法处理实验数据 我们也可根据实验测得的数据，分别作出曲线、曲线、曲线…．如果哪一种图象更接近于过原点的倾斜直线，功与速度之间就是哪一种正比关系。‎ 用图象法处理数据，要比计算法更简捷、更直观。‎ ‎(3)用数表软件处理实验数据 借助常用的数表软件，可以迅速准确地根据表中的数据作出W—v图象，甚至能够写出图象所代表的公式。‎ ‎ 【考题4】在探究功与物体速度变化的关系实验中，小车在橡皮筋的作用下，沿木板滑行。现在，我们用1条、2条、3条、…同样的橡皮筋进行第l次、第2次、第3次、…实验。实验中，如果橡皮筋拉伸的长度都保持一致，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，求出小车的速度v，记录见表格。请你猜一猜：小车速度v与橡皮筋所做的功有什么定量关系?并试着作出功与v2的关系图象．‎ 功 ‎0‎ W ‎2W ‎3W ‎4W ‎5W ‎6W v/(m.s-l)‎ O ‎1.0‎ ‎1.4l ‎1.73‎ ‎2.O ‎2.24‎ ‎2.4‎ ‎ 【解析】由数据可看出．由此可猜想小车速度v与橡皮筋所做的功存在的定量关系；作出功的关系图象如图l9—4．‎ ‎【变式4—1】利用打点计时器、纸带、橡皮筋等探究功与物体速度变化的关系时，得到如下数据：‎ ‎(1)根据以上数据作出功与速度大小的关系图象，以及功与速度平方的关系图象．‎ ‎(2)根据图象得到的结论是什么?‎ 专 项 测 试 学业水平测试 ‎1．[考点4]关于外力对物体所做的总功和物体的速度，下列说法正确的是( )．‎ A．合外力做功越多，物体速度改变越大 B．功就是速度，功可以转化为速度 C．做功的过程是能量转化的过程，速度改变说明某种能量发生了改变 D．功是物体能量的量度 ‎2．[考点3]在探究功与物体速度变化的关系的实验中，某同学在一次实验中得到了一条如图所示的纸带，这条纸带上的点两端较密，中间较疏。出现这种情况的原因可能是( )．‎ A．电源的频率不稳定 B木板倾斜程度太大 C．没有使木板倾斜或倾角太小 D．小车受到的阻力较大 ‎3．[考点1]在本实验中，我们并不需要测出橡皮筋做的功到底是多少，只需测出以后各次实验时橡皮筋对小车做的功是第一次实验的多少倍，使用的方法是( )．‎ A．用同样的力对小车作用，让小车通过的距离为s、2s、2s、…进行第1次，第2次，第3次、…实验时，力对小车做的功就是W、2W、3W、…‎ B．让小车通过相同的距离，第1次力为F、第2次力为‎2F、第3次力为‎3F：、…实验时，力对小车做的功就是W、2W、3W、···‎ C．选用同样的橡皮筋，在实验中每次橡皮筋拉伸的长度保持一致，当用l条、2条、3条、…同样的橡皮筋进行第l次、第2次、第3次、…实验时，橡皮筋对小车做的功就是W、2W、3W、…‎ D．利用弹簧测力计测量对小车的拉力F，利用直尺测量小车在力的作用下移动的距离S，便可求出每次实验中力对小车做的功，可控制为W、2W、3W、…‎ ‎4．[考点3]如图所示为与小车相连，穿过打点计时器的一条纸带，纸带上的点距并不都是均匀的，下面说法中正确的是( )．‎ ‎①纸带的左端是与小车相连的；②纸带的右端是与小车相连的；③利用E、F、G、H、J、J这些点之间的距离来确定小车的速度；④利用A、B、C、D这些点之间的距离来确定小车的速度。‎ A．①③ B．②④ C．①④ D．②③‎ ‎5．[考点4]置于光滑水平面上的物体，在恒定的水平外力F作用下运动一段距离，获得速度v，动能为Ek，若将水平外力增大二倍，其他条件不变，则物体获得的速度为 ，动能为 。‎ ‎6．[考点3]如图所示为探究功与速度变化关系实验中得到的一条纸带。‎ ‎(1)应选哪些点距进行测量?‎ ‎(2)怎样根据测得的数据确定小车的速度?‎ 高考水平测试 ‎1．[考点2]在实验中，小车在运动中会受到阻力作用．这样，在小车沿木板滑行的过程中，除橡皮筋对其做功外，还有阻力做功，这样便会给实验带来误差，我们在实验中想到的办法是使参板略微倾斜，对于木板的倾斜程度，下面说法中正确的是（ )．‎ ‎①木板只要稍微倾斜一下即可，没有什么严格要求；②木板的倾斜角度在理论上应满足下面条件：即重力使物体沿斜面下滑的分力应等于小车受到的阻力；③如果小车在倾斜的木板上能做匀速运动，则木板的倾斜程度是符合要求的；④其实木板不倾斜，问题也不大，因为实验总是存在误差的 A. ①② B. ②③ C．③④ D．①④‎ ‎2．[考点4]在探究功与速度变化的关系实验中作出的W一v图象如图所示，其中符合实际的是( )．‎ ‎3．[考点2]如果实验得到的各点在W—v坐标系中大致呈现线性分布，那是什么原因?如何处理?‎ ‎4．[考点3]某同学在探究功与物体速度变化的关系实验中．设计了如图甲所示的实验．将纸带固定在重物上，让纸带穿过电火花计时器或打点计时器．先用手提着纸带，使重物静止在靠近计时器的地方，然后接通电源，松开纸带，让重物自由下落，计时器就在纸带上打下一系列小点．得到的纸带如图乙所示，O点为计时器打下的第l个点，该同学对数据进行了下列处理：取OA=AB=BC，并根据纸带算出了A、B、C三点的速度分别为vA＝‎0.12m/s，vB＝‎0.17m/s，vC=‎0.21m/s．‎ 根据以上数据你能否大致判断?‎ ‎5．[考点5]如果提供给你天平、气垫导轨、数字计时器及计算机辅助设备，请设计探究功与质量、速度间定量关系的实验方法．‎ ‎6[考点3、5]质量为lkg的重锤自由下落，通过打点计时器在纸带上记录运动过程，打点计时器所接电源为6V、50Hz的交流电源，如图所示，纸带上0点为重锤自由下落时纸带打点起点，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)，各计数点与0点距离如图所示，单位为mm，重力加速度为9．‎80m／s2，则：‎ ‎(1)求出B、C、D、E、F各点速度并填入下表．‎ ‎(2)求出物体下落时从0点到图中各点过程中重力所做的功：‎ ‎(3)适当选择坐标轴表示所要表示的物理量，在图乙中找出重力的功与速度的相关量之间的关系．‎ ‎ 图中纵坐标表示 ，横坐标表示 ，由图可得重力所做的功与 成 关系．‎