（浙江選考）2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第5章 機(jī)械能 實(shí)驗(yàn)5 探究做功與物體速度變化的關(guān)系學(xué)案

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1、（浙江選考）2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第5章 機(jī)械能 實(shí)驗(yàn)5 探究做功與物體速度變化的關(guān)系學(xué)案 [考綱解讀]　(1)通過實(shí)驗(yàn)探究力對(duì)物體做的功與物體速度變化的關(guān)系。(2)體會(huì)探究的過程和所用的方法。 實(shí)驗(yàn)原理 為了探究功與速度變化的關(guān)系，需要測(cè)量功和初、末兩個(gè)狀態(tài)的速度。在方案一中，功的大小等于小車所受的合力與小車位移的乘積，當(dāng)懸掛重物的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量及小車所受的阻力已被平衡時(shí)，功的大小約等于重物重力與小車位移的乘積。在方案二中，不需要測(cè)量功的具體數(shù)值，分別用1根、2根、3根…相同的橡皮筋時(shí)，橡皮筋對(duì)小車做功的大小分別是W、2W、3W…。這兩種方案中，小車獲得的速度都可利用打點(diǎn)計(jì)

2、時(shí)器測(cè)量，然后通過圖象法找出功與速度變化的關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)器材 方案一：重物(小盤中放砝碼或砂桶中盛砂)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、小車、紙帶、復(fù)寫紙、電源、導(dǎo)線、刻度尺、一端帶有滑輪的長(zhǎng)木板、帶小鉤的細(xì)線、坐標(biāo)紙、薄木板等。 方案二：橡皮筋若干根(材質(zhì)、長(zhǎng)短、粗細(xì)均相同)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、小車、紙帶、復(fù)寫紙、電源、導(dǎo)線、刻度尺、木板、鐵釘、坐標(biāo)紙等。 實(shí)驗(yàn)步驟 方案一： (1)用天平測(cè)出重物的質(zhì)量m(m?M車)，將數(shù)據(jù)記錄在表中。 (2)將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在長(zhǎng)木板上沒有滑輪的一端，紙帶的一端夾在小車后端，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。將長(zhǎng)木板安裝有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一端適當(dāng)墊高，調(diào)整高度，直至輕推小車后

3、，恰能使小車拖著紙帶在木板上做勻速運(yùn)動(dòng)為止。 (3)在小車前系好細(xì)線并通過滑輪掛上重物。將小車置于靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處。接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源，釋放小車。 (4)改變重物質(zhì)量，重做上述實(shí)驗(yàn)。 (5)如圖1所示，將紙帶上的第一個(gè)點(diǎn)記為計(jì)數(shù)點(diǎn)O，再在紙帶的后端選擇連續(xù)的5個(gè)打印點(diǎn)分別記為計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、3、4、5。分別測(cè)出計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、3、4、5至計(jì)數(shù)點(diǎn)O的距離(即小車的位移l)，并利用打上點(diǎn)的紙帶，測(cè)出打各計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)小車的速度v，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表中。 圖1 (6)將計(jì)算得到的功W記錄在表格中。 (7)根據(jù)記錄的W、v數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上作出合適的圖象。兩次實(shí)驗(yàn)可以在同一坐標(biāo)系中作出兩條圖線。

4、 (8)整理實(shí)驗(yàn)器材。 方案二： (1)將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在長(zhǎng)木板的一端，紙帶的一端夾在小車后端，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。將長(zhǎng)木板安裝有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一端適當(dāng)墊高，調(diào)整高度，直至輕推小車后，恰能使小車拖著紙帶在長(zhǎng)木板上勻速運(yùn)動(dòng)為止。 (2)將橡皮筋的一端固定在長(zhǎng)木板前端的鐵釘上，另一端固定在小車前端的鉤子上。將小車置于靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處，記下小車的位置。接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源，釋放小車。 (3)用2根、3根、4根、5根相同的橡皮筋分別代替1根橡皮筋重做實(shí)驗(yàn)，保證每次釋放小車的位置相同，即橡皮筋被拉長(zhǎng)的長(zhǎng)度相同。 (4)在上述實(shí)驗(yàn)中打出的5條紙帶上分別找出小車近似做勻速運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)，并分別求出勻速運(yùn)

5、動(dòng)時(shí)的速度v，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表中。 (5)根據(jù)記錄的W、v數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上作出合適的圖象。 (6)整理實(shí)驗(yàn)器材。 注意事項(xiàng) 1.平衡摩擦力很關(guān)鍵，將木板一端墊高，使小車重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡。方法是輕推小車，由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打在紙帶上點(diǎn)的均勻程度判斷小車是否勻速運(yùn)動(dòng)，找到木板一個(gè)合適的傾角。 2.測(cè)小車速度時(shí)，紙帶上的點(diǎn)應(yīng)選點(diǎn)跡均勻的部分，也就是選小車做勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的部分。 3.方案二中橡皮筋的功不需測(cè)量，橡皮筋應(yīng)選規(guī)格一樣的，力對(duì)小車做的功，以一條橡皮筋做的功為單位即可。方案一中需要利用繩拉力近似等于所掛鉤碼重力，然后乘以小車經(jīng)過位移計(jì)算。 4.小車質(zhì)量應(yīng)大一些，使

6、紙帶上打的點(diǎn)多一些。 5.方案一中要保證所掛鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。 熱點(diǎn)一　教材原型實(shí)驗(yàn) 【例1】　某同學(xué)把附有滑輪的長(zhǎng)木板平放在實(shí)驗(yàn)桌上，將細(xì)繩一端拴在小車上，另一端繞過定滑輪，掛上適當(dāng)?shù)你^碼，使小車在鉤碼的牽引下運(yùn)動(dòng)，以此定量“探究繩拉力做功與小車動(dòng)能變化的關(guān)系”。此外還準(zhǔn)備了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器及配套的電源、導(dǎo)線、復(fù)寫紙、紙帶、小木塊等。組裝的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。 圖2 (1)若要完成該實(shí)驗(yàn)，必需的實(shí)驗(yàn)器材還有________________________________ ________________________。 (2)實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，他先調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度

7、，使?fàn)恳≤嚨募?xì)繩與木板平行。他這樣做的目的是下列的哪個(gè)________(填字母代號(hào))。 A.避免小車在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生抖動(dòng) B.可使打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出的點(diǎn)跡清晰 C.可以保證小車最終能夠?qū)崿F(xiàn)勻速直線運(yùn)動(dòng) D.可在平衡摩擦力后使細(xì)繩拉力等于小車受的合力 (3)平衡摩擦力后，當(dāng)他用多個(gè)鉤碼牽引小車時(shí)，發(fā)現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)過快，致使打出的紙帶上點(diǎn)數(shù)較少，難以選到合適的點(diǎn)計(jì)算小車速度。在保證所掛鉤碼數(shù)目不變的條件下，請(qǐng)你利用本實(shí)驗(yàn)的器材提出一個(gè)解決方法：_______________________ _______________________________________________

8、______________________。 (4)他將鉤碼重力做的功當(dāng)作細(xì)繩拉力做的功，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)拉力做功總是要比小車動(dòng)能增量大一些。這一情況可能是下列哪些原因造成的________(填字母代號(hào))。 A.在接通電源的同時(shí)釋放了小車 B.小車釋放時(shí)離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器太近 C.阻力未完全被小車重力沿木板方向的分力平衡掉 D.鉤碼做勻加速運(yùn)動(dòng)，鉤碼重力大于細(xì)繩拉力 解析　(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可知，需要驗(yàn)證mgx＝Mv2，同時(shí)根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律可知，此實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量鉤碼質(zhì)量、小車質(zhì)量和位移，故還需要的器材有：刻度尺和天平；(2)分析小車受力可知，在平衡摩擦力的基礎(chǔ)上，使細(xì)繩與木板平行是為了讓細(xì)

9、繩的拉力充當(dāng)小車所受合外力，故選項(xiàng)D正確；(3)紙帶上打出的點(diǎn)較少，說明小車的加速度過大(即小車過快)，故可知減小鉤碼質(zhì)量或增加小車質(zhì)量(在小車上加上適量的砝碼)；(4)在此實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)牛頓第二定律可知，鉤碼的重力大于細(xì)繩的拉力，而實(shí)驗(yàn)中用重力代替拉力會(huì)導(dǎo)致拉力做功大于小車動(dòng)能增量；如果實(shí)驗(yàn)未平衡或未完全平衡摩擦力也會(huì)導(dǎo)致拉力做功大于動(dòng)能增量，故選項(xiàng)C、D正確。 答案　(1)刻度尺、天平(包括砝碼)　(2)D　(3)可在小車上加適量的砝碼(或鉤碼)　(4)CD 熱點(diǎn)二　實(shí)驗(yàn)拓展創(chuàng)新 1.裝置時(shí)代化 2.求解智能化 (1)摩擦阻力問題：靠小車重力的下滑分力平衡摩擦力→自由下

10、落阻力減少→氣墊導(dǎo)軌減少摩擦力。 (2)速度的測(cè)量方法：勻速運(yùn)動(dòng)速度→測(cè)量紙帶上各點(diǎn)速度→光電門v＝→速度傳感器直接顯示速度大小。 【例2】　某校物理興趣小組利用如圖3所示裝置“探究合力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系”。在滑塊上安裝一遮光條，系輕細(xì)繩處安裝一拉力傳感器(可顯示出輕細(xì)繩的拉力)，把滑塊放在水平氣墊導(dǎo)軌上A處，細(xì)繩通過定滑輪與鉤碼相連，光電門安裝在B處。氣墊導(dǎo)軌充氣，將滑塊從A位置由靜止釋放后，拉力傳感器記錄的讀數(shù)為F，光電門記錄的時(shí)間為Δt。 圖3 (1)用螺旋測(cè)微器測(cè)量遮光條的寬度2.588 mm。 (2)多次改變鉤碼的質(zhì)量(拉力傳感器記錄的讀數(shù)F相應(yīng)改變)，測(cè)得多組F和Δ

11、t數(shù)據(jù)，要得到線性變化圖象，若已知選定F作為縱坐標(biāo)，則橫坐標(biāo)代表的物理量為______。 A.Δt B.(Δt)2 C. D.()2 (3)若正確選擇橫坐標(biāo)所代表的物理量后，得出線性變化圖象的斜率為k，且已經(jīng)測(cè)出A、B之間的距離為s，遮光條的寬度為d，則滑塊質(zhì)量(含遮光條和拉力傳感器)的表達(dá)式為M＝__________。 解析　(2)根據(jù)動(dòng)能定理得Fs＝Mv2，v＝，聯(lián)立解得F＝()2，選定F作為縱坐標(biāo)，則橫坐標(biāo)代表的物理量為()2，選項(xiàng)D正確。 (3)得出線性變化圖象的斜率為k，由k＝解得M＝。 答案　(2)D　(3) 1.在用如圖4所示的裝置做“探究功與速度變

12、化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，下列說法正確的是________。 圖4 A.為了平衡摩擦力，實(shí)驗(yàn)中可以將長(zhǎng)木板的左端適當(dāng)墊高，使小車?yán)┻^打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶自由下滑時(shí)能保持勻速運(yùn)動(dòng) B.為簡(jiǎn)便起見，每次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋的規(guī)格要相同，拉伸的長(zhǎng)度要一樣 C.可以通過改變橡皮筋的條數(shù)來改變拉力做功的數(shù)值 D.可以通過改變小車的質(zhì)量來改變拉力做功的數(shù)值 E.實(shí)驗(yàn)中要先釋放小車再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源 F.通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的紙帶來測(cè)定小車加速過程中獲得的最大速度 G.通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的紙帶來測(cè)定小車加速過程中獲得的平均速度 解析　左端墊高利用小車的重力沿斜面向下的分力與摩擦力平衡來滿足橡皮筋做

13、功是合力功。實(shí)驗(yàn)中要求橡皮筋規(guī)格相同，拉伸長(zhǎng)度相同即每個(gè)橡皮筋做功相等，所以只要通過改變橡皮筋條數(shù)就可以改變做功的數(shù)值，利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)應(yīng)該先接通電源再釋放紙帶。當(dāng)橡皮筋松弛時(shí)，即加速結(jié)束時(shí)，小車做勻速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)速度即為小車獲得的最大速度。 答案　ABCF 2.“探究功與速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，當(dāng)小車在一條橡皮筋作用下彈出時(shí)，橡皮筋對(duì)小車做的功記為W；當(dāng)用2條、3條、4條……完全相同的橡皮筋并在一起進(jìn)行第2次、第3次、第4次……實(shí)驗(yàn)時(shí)，橡皮筋對(duì)小車做的功記為2W、3W、4W……每次實(shí)驗(yàn)中小車獲得的最大速度可由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打出的紙帶測(cè)出。 圖5 (1)關(guān)于該實(shí)驗(yàn)，下列說

14、法正確的是________。 A.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器可以用干電池供電 B.實(shí)驗(yàn)儀器安裝時(shí)，可以不平衡摩擦力 C.每次實(shí)驗(yàn)小車必須從同一位置由靜止彈出 D.利用每次測(cè)出的小車最大速度vm和橡皮筋做的功W，依次作出W－vm、W－v、W－v，W2－vm、W3－vm……的圖象，得出合力做功與物體速度變化的關(guān)系。 (2)如圖6所示，給出了某次實(shí)驗(yàn)打出的紙帶，從中截取了測(cè)量小車最大速度所用的一段紙帶，測(cè)得A、B、C、D、E相鄰兩點(diǎn)間的距離分別為AB＝1.48 cm，BC＝1.60 cm，CD＝1.62 cm，DE＝1.62 cm；已知相鄰兩點(diǎn)打點(diǎn)時(shí)間間隔為0.02 s，則小車獲得的最大速度vm＝____

15、____m/s。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 圖6 解析　(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器必須用交流電，A項(xiàng)錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)儀器安裝時(shí)，必須平衡摩擦力，B項(xiàng)錯(cuò)誤；每次實(shí)驗(yàn)小車必須從同一位置由靜止彈出，C項(xiàng)正確；根據(jù)所得數(shù)據(jù)分別作出橡皮筋所做的功W與小車獲得的最大速度或小車獲得的最大速度的平方、立方等圖象，找出合力做的功與物體速度變化的關(guān)系，D項(xiàng)正確。 (2)小車獲得的最大速度v＝＝ m/s＝0.81 m/s。 答案　(1)CD　(2)0.81 3.為了“探究動(dòng)能改變與合外力做功的關(guān)系”，某同學(xué)設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)方案： 第一步：把帶有定滑輪的木板有滑輪的一端墊起，把質(zhì)量為M的滑塊通過細(xì)繩與質(zhì)量為m的帶夾子的重

16、錘跨過定滑輪相連，重錘下連一穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶，調(diào)整木板傾角，直到輕推滑塊后，滑塊沿木板向下勻速運(yùn)動(dòng)，如圖7甲所示。 第二步：保持長(zhǎng)木板的傾角不變，將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝在長(zhǎng)木板靠近滑輪處，取下細(xì)繩和重錘，將滑塊與紙帶相連，使紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，然后接通電源，釋放滑塊，使之從靜止開始向下加速運(yùn)動(dòng)，打出紙帶，如圖乙所示。打出的紙帶如圖丙所示。 圖7 請(qǐng)回答下列問題： (1)已知O、A、B、C、D、E、F相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為Δt，根據(jù)紙帶求滑塊運(yùn)動(dòng)的速度，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打B點(diǎn)時(shí)滑塊運(yùn)動(dòng)的速度vB＝________。 (2)已知重錘質(zhì)量為m，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間，要測(cè)出某一過程合外力對(duì)滑塊

17、做的功還必須測(cè)出這一過程滑塊________(寫出物理量名稱及符號(hào)，只寫一個(gè)物理量)，合外力對(duì)滑塊做功的表達(dá)式W合＝________。 (3)算出滑塊運(yùn)動(dòng)OA、OB、OC、OD、OE段合外力對(duì)滑塊所做的功W以及在A、B、C、D、E各點(diǎn)的速度v，以v2為縱軸、W為橫軸建立直角坐標(biāo)系，描點(diǎn)作出v2－W圖象，可知該圖象是一條________，根據(jù)圖象還可求得________。 解析　(1)由打出的紙帶可知B點(diǎn)的速度為vB＝。 (2)由做功定義式可知還需要知道滑塊下滑的位移x，由動(dòng)能定理可知W合＝ΔEk，即mgx＝ΔEk。 (3)v2－W圖象應(yīng)該為一條過原點(diǎn)的傾斜直線，根據(jù)ΔEk＝Mv2 可求

18、得M的值。 答案　(1)　(2)下滑的位移x　mgx　(3)過原點(diǎn)的傾斜直線　滑塊的質(zhì)量M 4.如圖8所示是某研究性學(xué)習(xí)小組的同學(xué)做探究“橡皮筋做功和物體速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)，圖中是小車在一條橡皮筋作用下彈出，沿木板滑行的情形。這時(shí)，橡皮筋對(duì)小車做功記為W。當(dāng)用2條、3條、…、n條完全相同的橡皮筋并在一起進(jìn)行第2次、第3次、…、第n次實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次橡皮筋都被拉伸到同一位置釋放。小車每次實(shí)驗(yàn)中獲得的速度可以由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打的紙帶測(cè)出，圖9甲為某次實(shí)驗(yàn)中打出的紙帶。 圖8 (1)除了圖中已給出的實(shí)驗(yàn)器材和電源外，還需要的器材有________________。 (2)實(shí)驗(yàn)時(shí)為了使小車

19、只在橡皮筋作用下運(yùn)動(dòng)，應(yīng)采取的措施是______________________________________________________________________ _____________________________________________________________________。 (3)每次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶上的點(diǎn)分布并不都是均勻的，為了測(cè)量小車最終獲得的末速度，應(yīng)選用紙帶的________________部分進(jìn)行測(cè)量。 (4)下面是本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理表。 從理論上講，橡皮筋做的功Wn與物體獲得的速度vn之間的關(guān)系是Wn∝________，

20、請(qǐng)你運(yùn)用表中的數(shù)據(jù)在如圖乙所示的坐標(biāo)系中作出相應(yīng)的圖象，以驗(yàn)證理論的正確性。 圖9 解析　(1)要計(jì)算某點(diǎn)速度的大小，必須要測(cè)量紙帶上計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離，除了題圖中已給出的實(shí)驗(yàn)器材和電源外，還需要的器材是刻度尺。 (2)實(shí)驗(yàn)時(shí)為了使小車只在橡皮筋作用下運(yùn)動(dòng)，應(yīng)采取的措施是把放打點(diǎn)計(jì)時(shí)器一端的木板墊起適當(dāng)?shù)母叨纫云胶饽Σ亮Α? (3)小車最終做勻速運(yùn)動(dòng)，因此應(yīng)選用相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間隔相等的部分。 (4)根據(jù)動(dòng)能定理可知，從理論上講，橡皮筋做的功Wn與物體獲得的速度vn之間的關(guān)系是Wn∝v；以Wn為縱坐標(biāo)，以v為橫坐標(biāo)，用描點(diǎn)作圖法作圖，圖象是過原點(diǎn)的直線，說明Wn∝v。 答案　(1)刻度尺　(2)把木板的左端墊起適當(dāng)?shù)母叨纫云胶饽Σ亮Α?3)每相鄰兩點(diǎn)之間距離相等(或點(diǎn)分布均勻)　(4)v　圖象如圖所示