高中物理 7.6 实验：探究功与速度变化的关系课件 新人教版必修2.ppt

6实验 探究功与速度变化的关系 一 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 体会探究过程所用的方法 二 实验原理让橡皮筋拉动小车运动一段位移 对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 通过对打点计时器所打纸带的测量 计算出每次实验后小车的速度 最后分析每次做的功与速度的关系 总结出功与速度的关系 三 实验器材木板 小车 橡皮筋 若干 铁钉 打点计时器 或电火花计时器 电源 纸带 刻度尺等 四 实验过程1 实验步骤 1 按图安装好实验仪器 2 平衡摩擦力 将安装有打点计时器的长木板一端垫起 纸带穿过打点计时器 不挂橡皮筋 接通电源 轻推小车 使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 同样的橡皮筋重复实验 并使橡皮筋拉伸的长度都和第一次相同 测出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 尝试作出w v w v2等图象 探究w v的关系 2 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 则小车速度的表达式为其中t是打点计时器的振动周期 即选择相邻距离基本相等的若干点来计算小车匀速运动时的速度 2 计算与w 2w 3w 对应的v v2 v3 等数值 填入下面表格 3 逐一与w的每组数值对照 判断w与v的可能关系或分别试探画出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 1 该实验中若不平衡摩擦力 纸带上的点会是什么样的 平衡摩擦力后 纸带上的点又会是什么样的 提示 1 若不平衡摩擦力 小车在开始时受橡皮筋的拉力和摩擦力作用 拉力逐渐变小 摩擦力不变 在两个力相等前做加速度越来越小的加速运动 两个力相等时速度达到最大 之后两力的合力方向与速度方向相反 做加速度越来越大的减速运动 当橡皮筋恢复原长后仅受摩擦力 做匀减速直线运动 故纸带上的点两头密 中间疏 几乎找不到间距相等的点 2 平衡摩擦力后 小车开始做加速度越来越小的加速运动 橡皮筋恢复到原长后做匀速运动 故点迹开始密 然后越来越疏 之后间距相等 2 纸带上的点距并不都是均匀的 应该选用哪些点距来确定小车的速度 为什么 提示 平衡摩擦力后 纸带上的点距并不都是均匀的 小车一开始做加速运动 纸带上的点距并不均匀 橡皮筋恢复原长后 小车做匀速运动 纸带上的点距均匀 我们要选择点距相等的点来确定小车的速度 具体做法 测出点距相等的n个点间的位移x 则速度 3 在改变橡皮筋的条数后 为什么要把小车拉到相同的位置释放 不这样做会出现什么现象 提示 每次必须拉至相同位置 目的是保证每次实验每条橡皮筋的弹性势能相同 这样橡皮筋总的弹性势能与条数成正比 使得做的功与橡皮筋的条数成正比 随着橡皮筋条数的增多 做功分别为w 2w 3w 若不严格拉至同一位置 就不满足上述情况 会造成误差加大 4 试分析 是否一定需要测出每次加速后小车的速度的数值 可以怎样做 提示 不一定 设小车每一次获得的速度为 即小车在第二次实验以后的每次实验中获得的速度均可用第一次速度的倍数来表示 知识点拨 1 实验的注意事项 1 平衡摩擦力实验中的小车不可避免地要受到摩擦力的作用 我们研究的是橡皮筋做的功与小车速度的关系 应设法排除摩擦力的影响 因此可采用将木板一端垫高的方法来做实验 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 纸带的选择应选间距均匀的那一段纸带来计算小车的速度 因为这一段是橡皮筋对小车做功完毕后的情况 3 不需要求出功的数值本实验是利用橡皮筋伸长量的多少来表示拉力做功的大小的 故不需要求出做功的数值 每条橡皮筋做的功大小相等 4 用图象处理数据我们无法直接由一些数据得出规律性的结论 故需借助于图象分析 而最容易想到的是w与v的关系 但根据得到的图象无法下结论 故再作w v2图象 进而得出结论 2 实验的误差分析 1 误差来源 没有完全平衡摩擦力对实验的影响 橡皮筋长度 粗细不一 使得拉力及拉力做的功与条数不成正比而带来误差 纸带上所打点的间距测量也会带来误差 描点不准带来误差 2 减小误差的办法 实验前要先平衡摩擦力 尽量选用同一规格的橡皮筋 选用间距均匀的几个间隔 测量其总长度 求得平均速度 描点时既要观察各点的位置关系 又要考虑可能有的函数关系 选择适当坐标轴标度是减小误差的关键 规律方法 1 倍增法虽为变力做功 但橡皮筋做的功 随着橡皮筋数目的成倍增加功也成倍增加 这种方法的构思极为巧妙 历史上 库仑应用类似的方法发现了著名的库仑定律 当然 恒力做功时 倍增法同样适用 2 使橡皮筋的功成倍增加的方法以第一次实验时小车前 或后 端的位置为基准 垂直运动方向在木板上作出一条水平线 以后改变橡皮筋的条数时 小车前 或后 端仍以此位置为基准 均从静止 运动即可 实验的注意事项 典例1 关于 探究功与速度变化的关系 的实验 下列叙述正确的是 a 每次实验必须设法算出橡皮筋对小车做功的具体数值b 实验中橡皮筋第二次的伸长长度是第一次伸长长度的二倍c 实验中长木板表面应该尽量光滑且水平放置d 每次实验都必须先接通电源 再让小车在橡皮筋的作用下弹出 思路点拨 本实验是通过改变橡皮筋的条数来改变做功的大小的 而不是通过改变橡皮筋的伸长量来改变做功的大小 解析 选d 实验中没有必要测出橡皮筋做的功到底是多少 只要测出以后各次实验时橡皮筋做的功是第一次的多少倍即可 a错 每次实验时橡皮筋拉伸的长度必须保持一致 只有这样才能保证以后各次实验时橡皮筋做的功是第一次实验时的整数倍 b错 小车运动中会受到阻力 只有使长木板倾斜到一定程度 才能减小误差 c错 实验中应先接通电源 让打点计时器开始工作 然后再让小车在橡皮筋的作用下弹出 d正确 实验数据的处理 典例2 在 探究功与速度变化的关系 的实验中 测得小车质量为300g 使用的橡皮筋为1根至6根 每次增加1根 小车受力的位移即橡皮筋被拉伸的长度为19cm 若将使用1根橡皮筋时弹力做的功记为1 00 则用2根橡皮筋时弹力做的功记为2 00 根据打点计时器所打纸带可计算出橡皮筋恢复原长后小车的速度 实验数据如下表 用图象法分析表中数据 说明w与v之间的关系 思路点拨 解答本题应把握以下三点 1 合理选择横轴 纵轴的标度 2 根据函数图象的特点 正确判断物理量间的数量关系 3 由判断关系再描点作图验证分析的正误 解析 用纵坐标表示橡皮筋对小车做的功w 横坐标表示小车获得的速度v 根据表中数据作出w v图象 如图所示 由图可见w v图线近似于一条抛物线 由此推断w可能正比于v2 计算v2的值 列表并作出w v2图象 如表甲 图乙所示 甲由图乙可见 w v2图线为一条过原点的直线 说明w与v2成正比 答案 w与v2成正比 规律方法 描点法分析数据 1 在结果出来之前 应仔细观察 分析结果 去掉误差太大的数值 若中间出现个别的点偏离正常位