高中物理必修2-实验：探究功与速度变化的关系

实验：探究功与速度变化的关系知识集结知识元实验：探究功与速度变化的关系知识讲解一．利用橡皮筋做功探究动能定理1.实验目的（1）通过实验探究力对物体做功与物体速度变化的关系．（2）体会探究过程和所用的方法．2.实验原理（1）功的确定：让橡皮筋拉动小车做功使小车的速度增加，使拉小车的橡皮筋的条数由1条变为2条、3条……则橡皮筋对小车做的功为W，2W，3W，….（2）速度的计算：通过对打点计时器所打纸带的测量计算出每次橡皮筋做功结束时小车的速度．（3）分析每次橡皮筋做的功与物体速度的关系，即可总结出功与速度变化的关系．3.实验器材木板、橡皮筋(若干)、小车、打点计时器、低压交流电源、纸带、刻度尺等．4.实验步骤（1）按如图所示安装好仪器．（2）平衡摩擦力：将安装有打点计时器的长木板的一端垫起，纸带穿过打点计时器，不挂橡皮筋，接通电源，轻推小车，打点计时器在纸带上打出间隔均匀的点．（3）第一次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v1，设此时橡皮筋弹力对小车做功为W，并将得到的数据记入表格．（4）换用2条、3条、4条……同样的橡皮筋做实验，并使橡皮筋拉伸的长度都和第一次相同，测出速度为v2，v3，v4，…，橡皮筋对小车做功分别为2W，3W，4W，…，将数据记入表格．（5）分析数据，尝试做W-v、W-v2等图象，探究W，v的关系．5.注意事项（1）平衡摩擦力的方法：将木板一端垫高，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）每次释放小车时，都要让它从同一位置由静止开始运动．（5）小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些．（6）使小车挂住橡皮筋的中点，放正小车，使小车沿木板的中间线运动.6.数据处理（1）速度数值的获得：实验获得的是如图所示的纸带，为探究橡皮筋弹力做功与小车速度的关系，需要测量的是弹力做功结束时小车的速度，即小车做匀速运动的速度．所以，应该在纸带上测量的物理量是图中A1、A3间的距离x，小车此时速度的表达式为v＝，其中T是打点计时器的打点周期．即选择相邻距离基本相同的若干点A1，A2，A3，…来计算小车匀速运动时的速度．（2）计算小车做的功分别为W，2W，3W，…时对应的v，v2，v3，的数值，填入表格．（3）逐一与W的一组数值对照，判断W与v，v2，v3，的可能关系或尝试着分别画出W 与v，W与v2，W与v3，W与间关系的图象，找出哪一组的图象是直线，从而确定功与速度的正确关系．7.误差分析误差类别产生原因减小方法偶然误差①橡皮筋长短、粗细不一②纸带上“点”间距离测量不准③描点不准①选用规格相同的橡皮筋②测量、描点尽量准确系统误差忘记平衡摩擦力或没有完全平衡摩擦力实验前精确地平衡摩擦力二．利用牛顿第二定律的实验装置探究动能定理1.实验目的探究外力做功与物体动能变化的定量关系2.实验原理（1）在砝码和砝码盘的质量远小于小车质量时，可以认为细绳的拉力就是砝码和砝码盘的重力．（2）平衡长木板的摩擦力（3）在砝码盘中加放砝码并释放砝码盘，木块在砝码盘对他的拉力作用下做匀加速运动，在纸带记录的物体的匀加速阶段，适当间隔的取两个点A和B．只要取计算一小段的平均速度即可确定A和B两点各自的速度v A和v B，在这段过程中物体运动的距离s可通过运动的纸带测出，我们即可算出合外力的功W合=F绳s AB，另一方面，此过程中物体的动能变化量为ΔE k=-，通过比较W和ΔE k的值，就可以找出两者之间的关系．3.实验器材长木板（一端带滑轮）、刻度尺、打点计时器、纸带、导线、电源、小车、细线、砝码盘、砝码、天平．4.实验步骤及数据处理（1）用天平测出小车的质量M，及砝码、砝码盘的总质量m．把器材按图装置好，纸带一端固定在小车上，另一端穿过打点计时器的限位孔．（2）把小车靠近打点计时器，用手按住．先接打点计时器电源，再释放小车，让它加速运动．当小车到达定滑轮处（或静止）时，断开电源（3）取下纸带，重复实验，得到多条纸带（4）选取其中点迹清晰的纸带进行数据处理，先在纸带标明计数点，然后取间隔适当的两点A、B两点间的距离S AB，再利用平均速度公式求A、B两点间的速度v A、v B．（5）通过实验数据分别求出W合与E kAB，通过比较W和ΔE k，就可以找出两者之间的关系．5.注意事项（1）实验前应调整长木板的倾角以平衡摩擦力，否则砝码和砝码盘的重力就不是小车受到的合外力．（2）实验时要求砝码和砝码盘的质量远小于滑块的质量．（3）应先接通打点计时器，后释放小车，使其运动．6.误差分析（1）没有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力时倾角过大．（2）利用打点的纸带测量位移和计算小车的速度时不准确也会带来误差．例题精讲实验：探究功与速度变化的关系例1.某同学用如图所示的实验装置探究功与速度变化的关系。

实验步骤如下：a．安装好实验器材。

b．接通电源后，让拖着纸带的小车在橡皮筋的作用下沿平板斜面向下弹出，沿木板滑行。

在纸带上选择合适的点距确定小车的速度v1。

c．换用2条、3条……同样的橡皮筋重复几次（每次都从同一初始位置释放小车），分别求出小车的速度v1、v2……。

d．通过测量和计算，该同学判断出小车沿平板做匀加速直线运动。

结合上述实验步骤，请你完成下列任务：（1）实验中，除电火花打点计时器（含纸带、复写纸）、小车、平板、铁架台、导线及开关外，在下面的仪器和器材中，必须使用的还有___和___。

（填选项代号）A．220V、50Hz的交流电源B．低压直流电源C．刻度尺D．秒表E．天平F．弹簧测力计（2）实验操作中需平衡小车受到的摩擦力，其最根本的目的是___。

A．防止小车不能被橡皮筋拉动B．确保橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功C．便于小车获得较大的弹射速度D．防止纸带上点迹不清晰例2.“探究功与速度变化的关系”的实验装置如图甲。

当小车在1条橡皮筋作用下弹出时，橡皮筋对小车做的功记为W；当用2条、3条……完全相同的橡皮筋进行第2次第3次……实验时，由于每次实验中橡皮筋的拉伸长度相同，因此第2次第3次……实验中橡皮筋对小车做的功分别为2W、3W……．每次实验中小车获得的最大速度可由打点计时器所打出的纸带求出。

（1）关于该实验，下列说法正确的是___和___。

（填选项序号字母）A．打点计时器可以用干电池供电B．必须平衡摩擦力C．每次实验，小车必须从同一位置由静止弹出D．可以选用规格不相同的橡皮筋（2）图乙为某次实验打出的纸带，从中截取了测量小车最大速度所用的一段纸带，测得A、B、C、D、E相邻两点间的距离分别为AB=1.60cm，BC=1.62cm，CD=1.64cm，DE=1.64cm；已知相邻两点打点时间间隔为0.02s，则小车获得的最大速度v m=______m/s。

（结果保留两位有效数字）例3.（2019秋∙东湖区校级月考）某学习小组做探究“合力的功和物体速度变化关系”的实验如下图，图1中小车是在一条橡皮筋作用下弹出，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。

（1）除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、交流电源和_____。

（2）实验中，小车会受到摩擦阻力的作用，可以使木板适当倾斜来平衡掉摩擦阻力，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___。

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）图2给出了某次在正确操作情况下打出的纸带，从中截取了测量物体最大速度所用的一段纸带，测得O点到A、B、C、D、E各点的距离分别为OA=5.65cm，OB=7.12cm，OC=8.78cm，OD=10.40cm，OE=11.91cm。

已知相邻两点打点时间间隔为0.02s，则小车获得的最大速度v m=______m/s（结果保留两位有效数字）。

例4.在探究“做功与物体速度变化”的关系时，实验室准备的装置如图所示。

（1）为保证小车受到的合力与重物的重力大小基本相等，应进行下列操作：①在____（选填“挂”或“不挂”）重物时，把斜面右端垫高一些，平衡摩擦力；②保持重物的质量_____（选填“远小于”或“远大于”）小车的质量。

（2）改变____（选填“重物”或“小车“）的质量或者改变小车运动的距离，也就改变了小车受到的合力做的功。

例5.某实验小组用如图1所示的实验装置“探究功与速度变化的关系”。

（1）实验中，需要平衡摩擦力和其他阻力。

现把长木板右端垫高，在不挂钩码且打点计时器打点的情况下，轻推一下小车，若获得了如____（选填“图2”或“图3”）所示的纸带，表明已平衡了摩擦力和其他阻力。

（2）挂上质量为m的钩码，接通电源，释放小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，将打下的第一个点标为O．在纸带上依次取A、B、C……若干个计数点，已知打相邻计数点间的时间间隔为T，测得A、B、C……各点到O点的距离为x1、x2、x3……如图4所示。

实验中，钩码质量远小于小车质量，可认为小车所受的拉力大小为mg。

从打O点到打B点的过程中，拉力对小车做的功W=______，打B点时小车的速度v=_____。

（3）以W为纵坐标，v2为横坐标，利用实验数据作出如图5所示的W-v2图象。

通过图象可以得到的结论是_____________________。

例6.利用气垫导轨探究动能定理，实验装置图所示。

实验步骤如下：①调整水平桌面上的气垫导轨至水平；②测量挡光条的宽度l，两光电门间的中心间距s，用天平称出滑块和挡光条的总质量M，托盘和砝码的总质量m；③将滑块移至光电门1左侧某位置，由静止释放滑块，从计时器中分别读出挡光条通过两光电门的时间△t1、△t2。

用测量的物理量求解下列物理量：（1）滑块通过光电门1和2时瞬时速度分别为v1=______，v2=______。

（2）滑块通过光电门1和2时，系统（包括滑块、挡光条、托盘和砝码）的总动能分别为______，______。

外力对系统做的功为W=_____。

（3）实验中，验证动能定理是否成立的关系式为__________________。