高中物理实验 探究恒力做功与动能改变的关系

三、注意事项 1．实验中不可避免地要受到摩擦力的作用，摩擦力对小车做负功，我们研 究拉力做功与物体动能变化的关系，应该设法消除摩擦力的影响，可采取将木 板一端垫高的方法来实现，将木板一端垫高，使重力沿斜面方向的分力与摩擦 力相平衡，就能消除摩擦力的影响．
2．尽量减小小车的加速度．因为钩码拉着小车加速运动时，钩码处于失重 状态，小车受到的拉力小于钩码的重力．为减小这一系统误差，应使小车的加 速度尽量小，也就是实验中必须满足钩码的质量远小于小车的质量．
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(3)在(2)的基础上，某同学用天平称出滑块的质量 M.往沙桶中装入适量的细 沙，并称出此时沙和沙桶的总质量 m.为了保证滑块受到的合力与沙和沙桶的总 重力大小基本相等，沙和沙桶的总质量 m 应满足的实验条件是________．实验 时释放滑块让沙桶带着滑块加速运动，用打点计时器(打相邻两个点的时间间隔 为 T)记录其运动情况的纸带如图 3 所示，纸带上开始的一些点较模糊未画出， 其他的每两点间还有 4 个点也未画出，现测得 O 到 E 点间的长为 L，D 到 F 点 间的长为 s，则 E 点速度大小为________．若取 O 点的速度为 v1、E 点速度为 v2 那么本实验最终要验证的数学表达式为________．
图5
(2)此次实验探究的结果，他没能得到“合力对物体做的功 W∝v2”的结论， 且误差很大．通过反思，他认为产生误差的原因如下，其中正确的是________．
二、数据处理 1．应用纸带求解速度：小车在细线的拉力作用下，做匀加速直线运动．初 速度和末速度可通过处理纸带求得．依据匀变速直线运动特点计算某点的瞬时 速度：vn＝sn＋12＋t sn. 2．计算恒力所做的功：在纸带上记下第一点 O 的位置，再在纸带上任意点 开始选取 n 个点 1、2、3、4…并量出各点到位置 O 的距离，即为小车运动的位 移 s，由此可计算拉力所做的功 W1＝mgs1，W2＝mgs2… 3．确定物体动能的改变量：ΔE1＝12Mv21，ΔE2＝12Mv22…
三、实验器材 长木板(一端附有滑轮)、打点计时器、钩码若干、小车、纸带、复写纸片、 刻度尺、细线．(实验装置如图 1 所示)
图1
一、实验步骤 1．将打点计时器固定在长木板上，把纸带的一端固定在小车的后面，另一 端穿过打点计时器． 2．改变木板倾角，使小车重力沿斜木板方向的分力平衡小车及纸带受到的 摩擦力，使小车做匀速直线运动． 3．用细线将木板上的小车通过一个定滑轮与悬吊的钩码相连．接通电源， 放开小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列的点． 4．更换纸带，重复实验．选择一条点迹清晰的纸带进行数据分析．
图3
【解析】 (1)要完成该实验需要测定合外力做的功 W 及滑块的初、末动能 Ek1、Ek2，因此需要测定滑块的运动位移，给出的几种器材中需要刻度尺，选项 B 正确．
(2)为了便于操作，应使细线对滑块的拉力就是滑块受到的合外力，因此， 应该首先平衡滑块受到的摩擦力．
(3)滑块与沙桶和沙子组成的系统加速运动，为了保证滑块受到的合力与沙
3．由于本实验要求小车由静止开始运动，所以应正确选取 O 点位置，选取 第一个点迹清晰的纸带，其他点的位置尽量离 O 点远些．
四、误差分析 本实验的误差主要来源于拉力略小于钩码的重力、不能完全平衡摩擦力、 起始点 O 的速度不为零和测量误差等方面.
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实验探究 1 实验原理和实验步骤 某学习小组的同学想要验证“动能定理”，他们在实验室组装了一
Mv21成立．
【答案】 (1)B (2)平衡摩擦力
(3)m≪M
s 10T
mgL＝12Mv22－12Mv21
实验探究 2 数据处理和误差分析 某同学为探究“合力做功与物体速度变化的关系”，设计了如下实
验，他的操作步骤是： ①按图 4 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. ②释放小车，然后接通打点计时器的电源(电源频率为 f＝50 Hz)，打出一条
纸带．
图4
(1)他在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条，如图 5 所示．把 打下的第一点记作 0，然后依次取若干个计数点，相邻计数点间还有 4 个点未画 出，用厘米刻度尺测得各计数点到 0 点距离分别为 d1＝0.004 m，d2＝0.055 m， d3＝0.167 m，d4＝0.256 m，d5＝0.360 m，d6＝0.480 m…，他把钩码重力(当地重 力加速度 g 取 9.8 m/s2)作为小车所受合力算出打下 0 点到打下第 5 点合力做功 W ＝ ________J( 结 果 保 留 三 位 有 效 数 字 ) ， 打 下 第 5 点 时 小 车 的 速 度 v5 ＝ ______m/s(结果保留三位有效数字)．
实验：探究恒力做功与动能改变的关系
一、实验目的 探究恒力做功与动能改变的关系． 二、实验原理 在钩码的拉动下，小车的速度发生了变化，也就是小车的动能发生了变 化．钩码对小车的拉力对小车做了功，只要能求出小车动能的变化量、小车运 动的位移以及钩码对小车的拉力(近似等于钩码的重力)，就可以研究 W＝Fs 与 ΔEk 之间的关系．
套装置如图 2 所示，另外还有交流电源、导线、复写纸、细沙以及天平都没画 出来．当滑块连接上纸带，用细线通过滑轮挂上空的小沙桶时，释放小桶，滑 块处于静止状态．如果要完成该项实验，则：
图2
(1)还需要的实验器材是( )
A．秒表
B．刻度尺
C．弹簧测力计
D．重锤
(2)进行实验操作时，首先要做的步骤是_____________________________
和沙桶的总重力大小基本相等，就要求沙子和沙桶的合外力近似为零，因此，
需要满足 m≪M；打下 D、F 两点的时间间隔为 t＝2×5T＝10T，点 E 是中间时
刻打的点，因此 vE＝ v ＝10sT；O 点的动能为 Ek1＝12Mv21，E 点的动能为 Ek2＝12Mv22，
该过程合外力做的功为 W＝mgL，为了验证动能定理，需要验证 mgL＝12Mv22－12