1、【 精品教育资源文库 】 实验五 探究功与速度变化的关系 板块一 主干梳理 夯实基础 实验原理与操作 实验目的 1探究外力对物体做功与物体速度的关系。 2通过实验数据分析，总结出做功与物体速度平方的正比关系。 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，小车获得的速度的平方为横坐标，作出 Wv2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。 实验
2、器材 小车 (前面带小钩 )、 100 200 g 砝码、长木板 (在两侧适当的对称位置钉两个铁钉 )、打点计时器、纸带、学生电源 (使用电火花计时器时不用学生电源 )、导线、 5 6 条等长的橡皮筋、刻度尺。 实验步骤 1按如图所示将实验仪器安装好。 2平衡摩擦力：在长木板的有打点计时器的一端下面垫一块木板，反复移动木板的位置，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，即小车能匀速运动为止。 3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。 4用 2 条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋拉伸的长度与 第 一次
3、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。 5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。 数据处理与误差分析 数据处理 1测量小车的速度：实验获得如图所示的纸带，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，应在纸带上测量的物理量： A1、 A2间 的距离 x，小车【 精品教育资源文库 】 速度的表达式是 v xT(T 为打点计时器打点的时间间隔 )。 2记录实验数据：把计算出的速度填入表格中并算出 v2的值。 橡皮筋 条数 位移 x/m 时间 t/s 速度 v/(ms
4、 1) 速度平方 v2/(m2s 2) 3数据处理：在坐标纸上 (如图所示 )画出 Wv2图线 (“ W” 以一条橡皮筋做的功为单位 )。 4实验结论：从图象分析外力对物体做功与物体速度变化的关系为 W v2。 误差分 析 1误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋的拉力做功 W 与橡皮筋的条数不成正比。 2没有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力时倾角过大。 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。 类型 产生原因 减小方法 偶然 小车速度的测量误差 多次测量 x，求平均值 【 精品教育资源文库 】 误差 摩擦力做功 平衡摩擦力适当 系统 误差 橡皮筋的长度、粗细不一 选规格相
5、同的橡皮筋 注意事项 1平衡摩擦力：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选点测速：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区域来计算速度。 3规格相同：橡皮筋规格相同时，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开始实验时，小车应靠近打点计时器，并且要先接通电源再释放小车。 5选择小车时，小车质量应适当大一些，使纸带上打的点多一些。 实验改进 1本实验中物体运动速度可以使用速度传感器直接采集，比用打点计时器方便快捷且
6、误差较小。 2可以把长木板换成气垫导轨 ，省略平衡摩擦力的操作步骤，达到简化实验过程的目的。 板块二 考点细研 悟法培优 考点 1 对实验原理与实验步骤的理解 例 1 某实验小组要探究力对物体做功与物体获得速度的关系，选取的实验装置如图所示，实验主要步骤如下： (1)实验时，为使小车只在橡皮筋作用下运动，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，得到的纸带应该是 _(填 “ 甲 ” 或 “ 乙 ”) 。 (2)使小车在一条橡皮筋的作用下由静止弹出，沿木板滑行，这时橡皮筋对小车做的功为 W； (3)再用完 全相同的 2 条、 3 条 ? 橡皮筋作用
7、于小车，每次由静止释放小车时橡皮筋的 _(填写相应实验条件 )，使橡皮筋对小车做的功分别为 2W、 3W? (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、 v2、 v3? (5)作出 Wv 图象，则下列符合实际的图象是 _。 【 精品教育资源文库 】 尝试解答 (1)乙 (3)伸长量 (形变量，长度 )都相同 (5)D。 (1)平衡摩擦力后，小车应做匀速直线运动，所以纸带应该是乙。 (3)为了使橡皮筋对小车做的功以倍数增加，每次橡皮筋形变量相同。 (5)由动能定理可知 W 12mv2，应选 D。 跟踪训练 某学习小组做 “ 探究功与速度变化的关系 ” 的实验如图所示，
8、图中小车是在一条橡皮筋作用下弹出的，沿木板滑行，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 (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根据打点计时器所打在纸带上的点进行计算。 (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。 (2)实验 中，小车会受到摩擦力的作用，可以使木板适当倾斜来平衡摩擦力，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
9、纸带的小车，能够匀速下滑即可 (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 ( ) 【 精品教育资源文库 】 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 (4)在正确操作情况下，打在纸带上的点 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 (根据如图所示的纸带回答 )。 答案 (1)交流 (2)D (3)B (4)GJ 解析 (1)打点计时器使用的是交流电源。 (2)平衡摩擦力时，应将纸带穿过打点计时器，放开拖着纸带的小车，小车能够匀速下滑
10、即可， D 正确。 (3)水平放置木板，放开小车后，小车做加速运动，当橡皮筋的拉力大小等于摩擦力大小时，小车的速度最大，此时橡皮筋仍处于伸长状态，小车没过两铁钉的连线， B 正确， A、 C、 D 错误。 (4)从纸带上看， 纸带的 GJ 段打点比较均匀，所以应选用纸带的 GJ 段进行测量。 考点 2 实验数据的处理与误差分析 例 2 如图所示为某学习小组做 “ 探究功与速度变化的关系 ” 的实验装置，图中小车是在一条橡皮筋的作用下弹出，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
11、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。 下面是本实验的数据记录表。 次数 橡皮筋 做的功 10 个间 隔距离 x(m) 10 个间 隔时间 T(s) 小车获得 的速度 vn(m/s) 小车获得速 度的平方 v2n(m2/s2) 1 W 0.2880 0.2 1.44 2.07 2 2W 0.4176 0.2 2.09 4.36 3 3W 0.4896 0.2 2.45 5.99 【 精品教育资源文库 】 4 4W 0.5904 0.2 2.95 8.71 5 5W 0.6480 0.2 3.24 10.50 请运用表中测定的数据在如图所示的坐标系中作
12、出相应的图象，得出的结论是_ _。 尝试解答 见解析 。 作出 Wv2n图象，如图所示。在误差允许的范围内，图线是过原点的直线，说明 W 与 v2n成正比。 跟踪训练 2017 甘 肃兰州模拟 某同学为探究 “ 合外力做功与物体动能改变的关系 ” ，设计了如下实验，操作步骤为： 按图 1 摆好实验装置，其中小车质量 M 0.20 kg，钩码总质量 m 0.05 kg。 先接通打点计时器的电源 (电源频率为 f 50 Hz)，然后释放小车，打出一条纸带。 【 精品教育资源文库 】 (1)他在多次重复实验得到的纸带中选取出自认为满意的一条，如图 2 所示，把打下的 第 一点记作 0，选取点迹清晰
13、的三个相邻计数点标记为 1、 2、 3(相邻计数点间还有 4 个点未画出 )，用刻度尺测得计数点 1、 2、3 到 0 点的距离分别为 d1 25.6 cm， d2 36.0 cm， d3 48.0 cm。他把钩码重力作为小车所受合外力 (g 取 9.8 m/s2)，算出打下 0 点到打下点 2 过程中合力做功 W _J，把打下点 2 时小车的动能作为小车动能的改变量，算得 Ek _J。 (结果保留三位有效数字 ) (2)根据此次实验探究的结果，他并没能得到 “ 合外力对物体做的功等于物体动能的增量 ” ，且误差较大。你认为产生这种情况的原因可能是 _(写出一条即可 )。 答案 (1)0.176 0.125 (2)没有平衡摩擦力或 钩码的质量没有满足远小于小车的质量的条件 解析 (1)由题意，合力做功为 W mgd20.176 J ；打下点 2 时小车的速度 v2 d3 d12T 1.12 m/s，此时小车的动能 Ek 12Mv220.125 J 。 (2)由于钩码重力做功大于小车动能增加量，其原因一定是合外力小于钩码的重力，所以可能的原因是未平衡摩擦力或钩码的质量没有满足远小于小车的质量的条件。 考点 3 创新实验设计 例 3 2017 湖北百所中学联考 某学习小组的同学欲 “ 探究小 车动能变化与合
