2018版高考物理配套文档：第五章 实验7 探究做功与物体速度变化的关系 Word版含解析

[考试标准]

实验方案一

1．实验原理

图1

重物通过滑轮牵引小车，当小车的质量比重物的质量大得多且摩擦力忽略不计时，可以把重物所受的重力当作小车受到的牵引力．如图1所示．

改变重物的质量或者改变小车运动的距离，也就改变了牵引力做的功，从而探究牵引力做的功与小车获得的速度间的关系．

2．实验器材

小车、一端带滑轮的长木板、砝码、钩码、天平、打点计时器、纸带、刻度尺等．

3．实验步骤

(1)垫高木板不带滑轮的一端，平衡摩擦力．

(2)在小车中放入砝码，把纸带穿过打点计时器，连在小车后端、用细线绕过滑轮连接小车和钩码．

(3)将小车停在打点计时器附近，先接通电源，再释放小车，关闭打点计时器电源．

(4)改变钩码的数量，更换纸带重复进行操作．

4．注意事项

(1)实验前必须首先平衡摩擦力．

(2)必须保证所悬挂钩码的重力远小于小车的重力，这时钩码重力才近似等于小车所受的合外力．

5．数据处理

(1)小车受到的合外力F：大小近似等于所挂钩码的重力mg，故用天平测出钩码的质量m可求F≈mg.

(2)通过纸带测小车的位移l.

(3)求出合力对小车做的功W＝Fl＝mgl.

(4)通过纸带求出对应位移l时，小车获得的速度v＝.

6．结论

研究W与v的关系，发现合力对小车做的功W与小车速度的平方成正比，即满足W∝v2.

实验方案二

1．实验原理(如图2所示)

图2

(1)一根橡皮筋作用在小车上移动距离x——做功为W.

(2)两根橡皮筋作用在小车上移动距离x——做功应为2W.

(3)三根橡皮筋作用在小车上移动距离x——做功应为3W.

(4)利用打点计时器求出小车离开橡皮筋的速度，列表、作图，由图象可以确定功与速度变化的关系．

2．实验器材

橡皮筋、小车、木板、打点计时器、纸带、刻度尺、铁钉等．

3．实验步骤

(1)垫高木板的一端，平衡摩擦力．

(2)拉伸的橡皮筋对小车做功：

①用一条橡皮筋拉小车——做功W.

②用两条橡皮筋拉小车——做功2W.

③用三条橡皮筋拉小车——做功3W.

(3)测出每次做功后小车获得的速度．

(4)分别用各次实验测得的v和W绘制W－v或W－v2、W－v3、……图象，直到明确得出W和v的关系．

4．实验注意事项

(1)将木板一端垫高，使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡．方法是轻推小车，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，找到长木板的一个合适的倾角．

(2)测小车速度时，应选纸带上的点均匀的部分，也就是选小车做匀速运动的部分．

(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)小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些．

5．实验探究的技巧与方法

(1)不直接计算W和v的数值，而只是看第2次、第3次……实验中的W和v是第1次的多少倍，简化数据的测量和处理．

(2)做W－v图象，或W－v2、W－v3图象，直到作出的图象是一条倾斜的直线．

6．实验结论

物体速度v与外力做功W间的关系：W与v2成正比.

命题点一　教材原型实验

例1　在“探究功与速度变化的关系”实验中，某同学设计了如图3甲所示的实验方案：使小物块在橡皮筋的作用下沿水平桌面被弹出，第二次、第三次…操作时分别改用2根、3根、…同样的橡皮筋将小物块弹出，测出小物块被弹出时的速度，然后找到牵引力对小物块做的功与小物块速度的关系．

图3

(1)要测得小物块被弹出后的水平速度，需要测量哪些物理量(g已知)：________(填正确答案标号)

A．小物块的质量m

B．橡皮筋的原长x

C．橡皮筋的伸长量Δx

D．桌面到地面的高度h

E．小物块抛出点到落地点的水平距离L

(2)用测量的物理量表示小物块获得速度大小的表达式________．

(3)能够实现橡皮筋对小物块做功整数倍变化的是________．

A．增加相同橡皮筋的条数，使小物块每次从相同位置释放

B．橡皮筋两端固定，使橡皮筋的伸长量依次加倍

C．橡皮筋两端固定，使橡皮筋的长度依次加倍

D．释放小物块的位置等间距的变化

(4)根据实验数据做出W－v2的图象如图乙所示，图线不通过原点的原因是________________________________________________________________________．

解析　(1)(2)物块离开桌面后做平抛运动，竖直方向：h＝gt2，水平方向：L＝vt，解得：v＝L，要测物块被弹出时的速度，需要测量：桌面到地面的高度h，小物块抛出点到落地点的水平距离L，故选D、E.

(3)实验时，选择相同的橡皮筋，使橡皮筋的形变量相同，通过改变橡皮筋的条数改变橡皮筋对小车所做的功，故A正确，B、C、D错误，故选A.

(4)物块在桌面上运动时，弹力对物块做正功，摩擦力对物块做负功，由于物块要克服摩擦力做功，则图象不过原点．

答案　(1)DE　(2)v＝L　(3)A　(4)物体在桌面上运动时要克服摩擦力做功

题组阶梯突破

1．某兴趣小组在探究物体动能大小实验时，让一物体在恒定合外力作用下由静止开始沿直线运动，记录下速度、时间、位置等实验数据，然后分别作出动能Ek随时间变化和动能Ek随位置变化的两个图线，但横坐标没有标出．

(1)请你判断物体动能随位置变化的图线应是图4中的________；

(2)若图甲中OA连线的斜率为k1，图乙中直线的斜率为k2则物体所受合外力的大小为________，在A点所对应的瞬时速度的大小为________．

图4

答案　(1)乙　(2)k2　

解析　(1)由Ek＝W＝Fx，可得：Ek与x成正比，故乙图是物体动能随位置变化的图线．

(2)在乙图中，由Ek＝Fx得：F＝即斜率为：k2＝①

在甲图中，k1＝②

由①②得：＝③

又：在这个过程中平均速度为：＝所以：x＝t④

将④代入③得：＝解得：v＝.

2．(2016·萧山区模拟)在“探究做功与速度变化关系”的实验中，

(1)橡皮筋与小车按图5a和图b的两种方式连接，图a中橡皮筋绕过小车前端的钉子，图b中橡皮筋系在小车前端的小环中．

图5

你认为橡皮筋与小车之间的连接方式合理的是________(填“a”或“b”)．

(2)下列说法中正确的是________．

A．实验时应使长木板保持水平

B．在释放小车后再接通电源，使打点计时器正常工作

C．利用打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中的最大速度

D．利用打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中的平均速度

(3)实验时所用的电源如图6所示，则打点计时器应选________(填“电磁打点计时器”或“电火花计时器”)．

图6

答案　(1)a　(2)C　(3)电磁打点计时器

解析　(1)为了方便增加橡皮筋，橡皮筋从车顶的钉子上跨过，不从车前的环里穿过，故a图连接更合理．

(2) 实验要探究合力做的功与速度变化的关系，并且用橡皮筋做的功代替总功，故必须保证橡皮筋的拉力等于小车所受的合力，由于摩擦不能忽略，所以应该将长木板一端适当垫高以平衡摩擦力，故A错误；在中学阶段，用打点计时器测量时间时，为有效利用纸带，总是先接通电源后释放纸带，故B错误；当橡皮筋做功完毕小车应获得最大速度，由于平衡了摩擦力所以小车以后要做匀速运动，相邻两点间的距离基本相同．所以计算小车速度应该选择相邻距离基本相同的若干个点作为小车的匀速运动阶段，用这些点计算小车的最大速度．故C正确，D错误．故选C.

(2)由于电源是学生电源，电磁打点计时器的电压为4～6 V，所以要选择电磁打点计时器．

命题点二　拓展创新实验

例2　某学习小组在“探究功与速度变化关系”的实验中采用了如图7甲所示的实验装置．

图7

(1)将气垫导轨接通气泵，通过调平螺丝调整气垫导轨使之水平，检查是否调平的方法是____________________．

(2)如图乙所示，游标卡尺测得遮光条的宽度Δd＝______cm；实验时，将橡皮条挂在滑块的挂钩上，向后拉伸一定的距离，并做好标记，以保证每次拉伸的距离恒定．现测得挂一根橡皮条时，滑块弹离橡皮条后，经过光电门的时间为Δt，则滑块最后匀速运动的速度表达式为________(用字母表示)．

(3)逐条增加橡皮条，记录每次遮光条经过光电门的时间，并计算出对应的速度．则画出的W－v2图象应是__________．

解析　(1)将滑块轻置于气垫导轨之上，看其是否滑动(将滑块置于气垫导轨之上，轻推是否匀速)；(2)游标尺零刻度线对应的主尺上整数部分为5 mm，游标尺第10条刻度线与主尺某刻度线对齐，10×0.05 mm＝0.50 mm，故读数为5.50 mm＝0.550 cm.光电门测量的是运动物体挡光时间内的平均速度，因为遮光条较窄，所以可看作测量的是瞬时速度．所以v＝；(3)由动能定理有W＝mv2，画出的W－v2图象是一条过原点的直线．

答案　(1)将滑块轻置于气垫导轨之上，看其是否滑动(将滑块置于气垫导轨上，轻推是否匀速)　(2)0.550　　(3)一条过原点的直线

题组阶梯突破

3．某兴趣小组在做探究合力做功和物体速度变化关系的实验前，提出了以下几种猜想：①W∝v；②W∝v2；③W∝v3.他们的实验装置如图8所示，PQ为一块倾斜放置的薄木板，实验开始，他们共同探究如何测量出小车通过斜面底端Q点的速度．有位同学认为可以通过实验改进，不需要测出小车通过Q点的速度，也能完成实验．他的方案是：

图8

①将另一长木板置于水平桌面上．

②在薄木板上标出等距离的位置点，然后将薄木板倾斜放置于长木板上并固定．

③将小车从薄木板上离长木板最近的第1位置释放，记下小车在长木板上停止的位置x1.

④将小车分别从薄木板第2、第3…位置释放，记下小车在长木板上停止的位置x2，x3，…

⑤用刻度尺测量出各位置点离斜面底部的距离．

大家经过讨论采纳了该同学的建议，请你思考他们的探究思路并回答下列问题．

(1)小车从薄木板上某一位置由静止下滑，下滑过程中合力做功，本实验中通过改变______________来控制合力所做的功成倍增加．

(2)该实验中，将小车滑到薄木板底部Q点速度的测量转化为________的测量．

答案　(1)小车在薄木板上的下滑位置

(2)在长木板上滑行的距离

解析　(1)小车从薄木板上某一位置由静止下滑，下滑过程中合力做功，通过改变小车在薄木板上的下滑位置，使合力做功成倍增加；(2)该实验中，将小车滑到薄木板底部Q点速度的测量转化为在长木板上滑行的距离的测量．

4．某中学科技研究小组成员李军同学计划通过物体在斜面上运动的实验探究“合外力做功与物体速度变化的关系”．实验开始前，该同学提出了以下几种猜想：W∝，W∝v，W∝v2.实验装置如图9甲所示，MN为一块倾斜放置的木板，在N处固定一个速度传感器(用来测量物体每次通过N点的速度)，每次实验，物体都由静止从斜面上释放．

图9

(1)为了记录实验数据，李军同学设计了以下表格，其中x代表物体在斜面上无初速度释放时的初始位置到速度传感器的距离，v表示物体每次通过N点的速度.

请根据该同学的实验数据在图乙的坐标图中描绘x－v图象，根据图象________(填“能”或“不能”)得出W∝v，你对此提出的建议是___________________________________.

(2)在此实验中，木板与物体间摩擦力的大小__________(填“会”或“不会”)影响探究的结果．

答案　(1)见解析图　不能　应进一步绘制x－v2图象

(2)不会

解析　(1)在坐标系中描点，绘制图象如图所示，由于得到的是一段曲线，所以不能得出W∝v，对此提出的建议是：应进一步绘制x－v2图象．

(2)物体下滑时，对物体做功的是重力与摩擦力，只要摩擦力是定值就行，不用管具体的数值．

5．某学习小组利用如图10所示的装置探究做功与物体速度变化的关系．

图10

(1)将气垫导轨调至水平，安装好实验器材，从图中读出两光电门之间的距离s＝________ cm.

(2)测量挡光条的宽度d，记录挡光条通过光电门1和2所用的时间Δt1和Δt2，并从拉力传感器中读出滑块受到的拉力F，为了完成实验，还需要直接测量的一个物理量是____________．

(3)该实验是否需要满足砝码盘和砝码总质量远小于滑块、挡光条和拉力传感器的总质量？________(填“是”或“否”)．

答案　(1)50.00　(2)滑块、挡光条和拉力传感器的总质量　(3)否

解析　(1)光电门1处刻度尺读数为23.00 cm，光电门2处刻度尺读数为73.00 cm，故两光电门之间的距离s＝73.00 cm－23.00 cm＝50.00 cm.

(2)由于光电门的宽度d很小，所以我们用很短时间内的平均速度代替瞬时速度，滑块通过光电门1的速度为v1＝，滑块通过光电门2的速度为v2＝，根据功能关系需要验证的关系式为Fs＝Mv－Mv＝M()2－M()2，可见还需要测量出M，即滑块、挡光条和拉力传感器的总质量．

(3)该实验中由于已经用拉力传感器测出绳子拉力大小，没有将砝码和砝码盘的重力作为滑块的拉力，故不需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于滑块、挡光条和拉力传感器的总质量．