2019-2020年高中物理 第2章 能的轉(zhuǎn)化與守恒 第2講 實(shí)驗(yàn) 探究恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系學(xué)案 魯科版必修2.doc

2019-2020年高中物理 第2章 能的轉(zhuǎn)化與守恒 第2講 實(shí)驗(yàn) 探究恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系學(xué)案 魯科版必修2 [目標(biāo)定位]　1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系.2.學(xué)習(xí)利用圖象法研究功與物體速度變化的關(guān)系． 1．常見(jiàn)的兩種實(shí)驗(yàn)方案 (1)方案一：使小車在橡皮筋的作用下彈出，如圖1所示． 圖1 改變橡皮筋的條數(shù)并使小車從____________被彈出；測(cè)出小車被彈出后的速度，尋找牽引力對(duì)小車做的功與小車速度的關(guān)系． 想一想　由于橡皮筋彈力隨其形變量而變，那么如何處理橡皮筋對(duì)小車做的功？ (2)方案二：由重物通過(guò)滑輪牽引小車，如圖2所示． 圖2 改變重物的______或者改變小車運(yùn)動(dòng)的______，也就改變了牽引力做的功，從而探究牽引力做的功與小車獲得的速度間的關(guān)系． 2．平衡摩擦力 將木板一端墊高至輕推小車后小車做__________運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，小車不要連接重物或拴橡皮筋，但應(yīng)連著______且接通電源． 想一想　方案一實(shí)驗(yàn)中若不平衡摩擦力，紙帶上的點(diǎn)會(huì)是什么樣的？平衡摩擦力后，紙帶上的點(diǎn)又會(huì)是什么樣的？ 3．?dāng)?shù)據(jù)的處理：通過(guò)試探與分析，確定W與v的關(guān)系． (1)圖象法：分別試探畫出W與v、W與____、W與____、W與____間關(guān)系的圖象，找出哪一組的圖象更接近于過(guò)原點(diǎn)的__________，從而確定功與速度變化的正確關(guān)系． (2)計(jì)算法：對(duì)方案二，測(cè)出對(duì)小車?yán)Υ笮，小車位移s，及對(duì)應(yīng)速度v，計(jì)算拉力(或合力)對(duì)小車做的功W＝____，從而確定功與速度變化的關(guān)系. 一、借助變力做功探究功與速度變化的關(guān)系 1．實(shí)驗(yàn)步驟 (1)按圖3組裝好實(shí)驗(yàn)儀器，由于小車在運(yùn)動(dòng)中會(huì)受到阻力，把木板略微傾斜，使小車在木板上勻速運(yùn)動(dòng)，以平衡摩擦力． 圖3 (2)先用一條橡皮筋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．把橡皮筋拉伸一定長(zhǎng)度，理順紙帶，接通電源，放開(kāi)小車． (3)換用紙帶，改用2條、3條……同樣的橡皮筋進(jìn)行第2次、第3次……實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度都相同． (4)由紙帶上點(diǎn)跡均勻部分算出小車獲得的速度，把各次實(shí)驗(yàn)獲得的速度依次記入設(shè)計(jì)的表格中． (5)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，大致判斷兩個(gè)量可能的關(guān)系，然后以W為縱坐標(biāo)，以v(v2、v3)為橫坐標(biāo)作圖． 2．?dāng)?shù)據(jù)處理與結(jié)果 (1)以拉力(或合力)做的功W為縱坐標(biāo)，注意單位為一根橡皮筋做的功W0，以v為橫坐標(biāo)，作出Wv圖象．若如圖4甲所示為曲線，嘗試作Wv2圖象，如圖乙，若Wv2圖線為直線，則說(shuō)明W∝v2. 圖4 (2)結(jié)論：橡皮筋對(duì)小車的拉力(合力)做的功與小車速度的平方成正比，即W∝v2. 3．注意事項(xiàng) (1)平衡小車在木板上運(yùn)動(dòng)的摩擦力，保證小車脫離橡皮筋后做勻速運(yùn)動(dòng)． (2)本實(shí)驗(yàn)是利用橡皮筋的多少來(lái)表示拉力做功的大小，故不需要求出做功的數(shù)值．但每次實(shí)驗(yàn)所用的橡皮筋都要相同并且拉伸的長(zhǎng)度都保持一致． (3)打出的紙帶上的點(diǎn)間距并不都是均勻的，應(yīng)選取點(diǎn)跡清晰、間距均勻的部分計(jì)算小車的速度． 例1　某實(shí)驗(yàn)小組采用如圖5所示的裝置探究功與速度變化的關(guān)系，小車在橡皮筋的作用下彈出后，沿木板滑行．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作頻率為50 Hz. 圖5 (1)實(shí)驗(yàn)中木板略微傾斜，這樣做________． A．是為了使釋放小車后，小車能勻加速下滑 B．是為了增大小車下滑的加速度 C．可使得橡皮筋做的功等于合力對(duì)小車做的功 D．可使得橡皮筋松弛后小車做勻速運(yùn)動(dòng) (2)實(shí)驗(yàn)中先后用同樣的橡皮筋1條、2條、3條…合并起來(lái)掛在小車的前端進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，每次都要把小車?yán)酵晃恢迷籴尫牛训?次只掛1條橡皮筋時(shí)橡皮筋對(duì)小車做的功記為W1，第二次掛2條橡皮筋時(shí)橡皮筋對(duì)小車做的功為2W1…橡皮筋對(duì)小車做功后而使小車獲得的速度可由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶測(cè)出．根據(jù)第四次的紙帶(如圖6所示)求得小車獲得的速度為_(kāi)_______m/s. 圖6 (3)若根據(jù)多次測(cè)量數(shù)據(jù)畫出的Wv圖象如圖所示，根據(jù)圖線形狀，可知對(duì)W與v的關(guān)系符合實(shí)際的是圖________． 針對(duì)訓(xùn)練　為了探究對(duì)物體做功與物體速度變化的關(guān)系，現(xiàn)提供如圖7所示的器材，讓小車在橡皮筋的作用下彈出后，沿長(zhǎng)木板滑行，請(qǐng)思考探究思路并回答下列問(wèn)題(打點(diǎn)計(jì)時(shí)器交流電頻率為50 Hz)． 圖7 (1)為了消除摩擦力的影響應(yīng)采取的措施是：____________________________________ ________________________________________________________________________. (2)當(dāng)我們分別用同樣的橡皮筋1條、2條、3條……并用來(lái)進(jìn)行第1次、第2次、第3次……實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度都應(yīng)保持一致，我們把第1次實(shí)驗(yàn)時(shí)橡皮筋對(duì)小車做的功記為W. (3)由于橡皮筋對(duì)小車做功而使小車獲得的速度可以由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶測(cè)出，如圖8所示是其中四次實(shí)驗(yàn)打出的部分紙帶． 圖8 (4)試根據(jù)(2)、(3)中的信息，填寫下表. 次數(shù) 1 2 3 4 橡皮筋對(duì)小車做功 W 小車速度v/(ms－1) v2/(m2s－2) 從表中數(shù)據(jù)可得出結(jié)論：_______________________________________________. 二、借助恒力做功探究功與速度變化的關(guān)系 1．測(cè)量前的準(zhǔn)備：平衡摩擦力 將木板一端墊高，讓小車從木板上勻速滑動(dòng)，從而平衡摩擦力． 2．實(shí)驗(yàn)必須滿足的條件：鉤碼質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量M 在鉤碼質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量M的條件下，鉤碼的重力大小才近似等于小車所受合力． 3．有關(guān)測(cè)量和計(jì)算 (1)小車受到的合外力F：大小近似等于所掛鉤碼的重力mg，故用天平測(cè)出鉤碼的質(zhì)量m可求F≈mg. (2)通過(guò)紙帶測(cè)小車的位移sn. (3)求出合力對(duì)小車做的功W＝Fsn＝mgsn (4)通過(guò)紙帶求出對(duì)應(yīng)位移sn時(shí)，小車獲得的速度v＝. 4．結(jié)論 研究W與v的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)合力對(duì)小車做的功W與小車速度的平方成正比，即滿足W∝v2. 例2　某實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)采用如圖9所示的裝置(實(shí)驗(yàn)中，小車碰到制動(dòng)裝置時(shí)，鉤碼尚未到達(dá)地面)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器得到一條紙帶后，通過(guò)分析小車位移與速度變化的關(guān)系來(lái)研究合力對(duì)小車所做的功與速度變化的關(guān)系．圖10是實(shí)驗(yàn)中得到的一條紙帶，點(diǎn)O為紙帶上的起始點(diǎn)，A、B、C是紙帶上的三個(gè)連續(xù)的計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間均有4個(gè)點(diǎn)未畫出，用刻度尺測(cè)得A、B、C到O的距離如圖所示．已知所用交變電源的頻率為 50 Hz，則： 圖9 圖10 (1)打B點(diǎn)時(shí)，小車的瞬時(shí)速度vB＝________m/s.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) (2)實(shí)驗(yàn)中，該小組的同學(xué)畫出小車位移s與速度v的關(guān)系圖象如圖11所示．根據(jù)該圖線形狀，某同學(xué)對(duì)W與v的關(guān)系作出的猜想，肯定不正確的是________．(填寫選項(xiàng)字母代號(hào)) 圖11 A．W∝v2 B．W∝v C．W∝ D．W∝v3 (3)本實(shí)驗(yàn)中，若鉤碼下落高度為h1時(shí)合力對(duì)小車所做的功為W0，則當(dāng)鉤碼下落高度為h2時(shí)，合力對(duì)小車所做的功為_(kāi)_______．(用h1、h2、W0表示) 借助變力做功探究功與速度變化的關(guān)系 1．某學(xué)習(xí)小組做“探究功與速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)如圖12甲所示，圖中小車是在一條橡皮筋作用下彈出的，沿木板滑行，這時(shí)，橡皮筋對(duì)小車做的功記為W.當(dāng)用2條、3條……完全相同的橡皮筋并在一起進(jìn)行第2次、第3次……實(shí)驗(yàn)時(shí)(每次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度都保持一致)，每次實(shí)驗(yàn)中小車獲得的速度根據(jù)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打在紙帶上的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算． 圖12 (1)除了圖中已有的實(shí)驗(yàn)器材外，還需要導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)、刻度尺和________(選填“交流”或“直流”)電源． (2)為平衡小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的阻力，應(yīng)該采用下面所述方法中的________(填入選項(xiàng)前的字母代號(hào))． A．逐步調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，讓小車能夠自由下滑 B．逐步調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，讓小車在橡皮筋作用下開(kāi)始運(yùn)動(dòng) C．逐步調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，給小車一初速度，讓拖著紙帶的小車勻速下滑 D．逐步調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，讓拖著紙帶的小車自由下滑 (3)圖乙是該實(shí)驗(yàn)小組在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中打出的一條紙帶，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器連接的電源的頻率為50 Hz，則橡皮筋恢復(fù)原長(zhǎng)時(shí)小車的速度為_(kāi)_________m/s(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)． 借助恒力做功探究功與速度變化的關(guān)系 2．在“探究恒力做功與物體的速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中備有下列器材：A.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器；B.天平；C.秒表；D.低壓交流電源；E.電池；F.紙帶；G.細(xì)線、砝碼、小車、砝碼盤；H.薄木板． (1)其中多余的器材是________________；缺少的器材是________________． (2)測(cè)量時(shí)間的工具是____________；測(cè)量質(zhì)量的工具是________________． (3)如圖13所示是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的小車(質(zhì)量為m)在恒力F作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的紙帶，測(cè)量數(shù)據(jù)已用字母表示在圖中，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期為T.請(qǐng)分析，利用這些數(shù)據(jù)能否完成“探究恒力做功與物體的速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)？若不能，請(qǐng)說(shuō)明理由；若能，請(qǐng)寫出做法． 圖13 答案精析 第2講　實(shí)驗(yàn)：探究恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系 預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué) 1．(1)同樣的位置 想一想　可用多根相同的橡皮筋每次拉長(zhǎng)都一樣，這樣做功就是W與nW之間的關(guān)系． (2)質(zhì)量　距離 2．勻速直線　紙帶 想一想　若不平衡摩擦，小車在開(kāi)始時(shí)受橡皮筋的彈力和摩擦力．拉力逐漸變小，摩擦力不變．在兩個(gè)力相等前做加速度越來(lái)越小的加速運(yùn)動(dòng)，兩力相等時(shí)速度達(dá)到最大，之后兩力的合力方向與速度方向相反，做加速度越來(lái)越大的減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)橡皮筋恢復(fù)原長(zhǎng)后僅受摩擦力，做勻減速直線運(yùn)動(dòng)．故紙帶上的點(diǎn)是兩頭密、中間疏，幾乎找不到間距相等的點(diǎn)． 平衡摩擦后，小車開(kāi)始做加速度越來(lái)越小的加速運(yùn)動(dòng)，橡皮筋恢復(fù)原長(zhǎng)后做勻速直線運(yùn)動(dòng)．故點(diǎn)跡是開(kāi)始密，越來(lái)越疏，之后間距相等． 3．(1)v2　v3　　傾斜直線　(2)Fs 課堂講義 例1　(1)CD　(2)2.00　(3)C 解析　(1)木板傾斜是為了消除摩擦力的影響，可使得橡皮筋做的功等于合力對(duì)小車做的功，橡皮筋松弛后小車做勻速運(yùn)動(dòng)． (2)小車的速度應(yīng)從勻速運(yùn)動(dòng)部分取紙帶，可得小車獲得的速度為2.00 m/s. (3)根據(jù)W＝mv2，根據(jù)W∝v2，可知應(yīng)選C. 針對(duì)訓(xùn)練　見(jiàn)解析 解析　(1)將長(zhǎng)木板固定，有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?，使小車勻速下滑? (4)由勻速運(yùn)動(dòng)的速度公式v＝，其中s可從題圖上讀出，分別為2.00 cm,2.83 cm,3.46 cm,4.00 cm.t＝T＝＝0.02 s，即可求出小車的速度． 次數(shù) 1 2 3 4 橡皮筋對(duì)小車做功 W 2W 3W 4W 小車速度v/(ms－1) 1.0 1.415 1.73 2.0 v2/(m2s－2) 1.0 2.0 3.0 4.0 從表中數(shù)據(jù)可以得出：橡皮筋對(duì)小車做的功與小車速度的平方成正比． 例2　(1)0.80　(2)BC　(3)W0 解析　(1)vB＝ ＝ m/s ＝0.80 m/s. (2)由題圖知，位移與速度的關(guān)系圖象很像拋物線，所以可能s∝v2或s∝v3，又因?yàn)閃＝Fs，F(xiàn)恒定不變，故W∝v2或W∝v3，A、D正確，B、C錯(cuò)誤． (3)設(shè)合力為F，由W0＝Fh1，得F＝，所以當(dāng)鉤碼下落h2時(shí)W＝Fh2＝W0. 對(duì)點(diǎn)練習(xí) 1．(1)交流　(2)C　(3)1.40 解析　(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用交流電源．(2)平衡摩擦力的方法是：逐步調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，給小車一初速度，讓拖著紙帶的小車勻速下滑，故選C.(3)從C點(diǎn)到F點(diǎn)小車做勻速運(yùn)動(dòng)，則速度為v＝＝1.40 m/s. 2．(1)C、E　毫米刻度尺 (2)A　B　(3)見(jiàn)解析 解析　(1)計(jì)算小車速度是利用打上點(diǎn)的紙帶，故不需要秒表．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)使用低壓交流電源．故多余的器材是C、E；測(cè)量點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離要用毫米刻度尺，故缺少的器材是毫米刻度尺． (2)測(cè)量時(shí)間的工具是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器；測(cè)量質(zhì)量的工具是天平． (3)能，從A到B的過(guò)程中，恒力做的功為WAB＝FsAB，A、B兩點(diǎn)的速度可根據(jù)vA＝，vB＝算出．