高中物理 7_6 實(shí)驗(yàn)：探究功與速度變化的關(guān)系課件 新人教版必修21 (2)

6 實(shí) 驗(yàn) ： 探 究 功 與 速 度 變 化 的 關(guān) 系 一 、 實(shí) 驗(yàn) 目 的1.通 過(guò) 實(shí) 驗(yàn) 探 究 力 對(duì) 物 體 做 功 與 物 體 速 度 變 化 的 關(guān) 系 。2.體 會(huì) 探 究 過(guò) 程 所 用 的 方 法 。 二 、 實(shí) 驗(yàn) 原 理讓 橡 皮 筋 拉 動(dòng) 小 車 運(yùn) 動(dòng) 一 段 位 移 ， 對(duì) 小 車 做 功 使 小 車 的 速 度 增加 ， 使 拉 小 車 的 橡 皮 筋 的 條 數(shù) 由 1條 變 為 2條 、 3條 則 橡 皮 筋 對(duì)小 車 做 的 功 為 W、 2W、 3W通 過(guò) 對(duì) 打 點(diǎn) 計(jì) 時(shí) 器 所 打 紙 帶 的 測(cè) 量 ，計(jì) 算 出 每 次 實(shí) 驗(yàn) 后 小 車 的 速 度 ， 最 后 分 析 每 次 做 的 功 與 速 度 的關(guān) 系 ， 總 結(jié) 出 功 與 速 度 的 關(guān) 系 。三 、 實(shí) 驗(yàn) 器 材木 板 、 小 車 、 橡 皮 筋 (若 干 )、 鐵 釘 、 打 點(diǎn) 計(jì) 時(shí) 器 (或 電 火 花 計(jì) 時(shí)器 )、 電 源 、 紙 帶 、 刻 度 尺 等 。 四 、 實(shí) 驗(yàn) 過(guò) 程1.實(shí) 驗(yàn) 步 驟(1)按 圖 安 裝 好 實(shí) 驗(yàn) 儀 器 。(2)平 衡 摩 擦 力 ： 將 安 裝 有 打點(diǎn) 計(jì) 時(shí) 器 的 長(zhǎng) 木 板 一 端 墊 起 ，紙 帶 穿 過(guò) 打 點(diǎn) 計(jì) 時(shí) 器 ， 不 掛橡 皮 筋 ， 接 通 電 源 ， 輕 推 小車 ， 使 打 點(diǎn) 計(jì) 時(shí) 器 在 紙 帶 上打 出 間 隔 均 勻 的 點(diǎn) 。 (3)第 一 次 先 用 一 條 橡 皮 筋 做 實(shí) 驗(yàn) ,用 打 點(diǎn) 計(jì) 時(shí) 器 和 紙 帶 測(cè) 出 小車 獲 得 的 速 度 v1,設(shè) 此 時(shí) 橡 皮 筋 彈 力 對(duì) 小 車 做 功 為 W,并 將 得 到 的數(shù) 據(jù) 記 入 表 格 。(4)換 用 2條 、 3條 、 4條 同 樣 的 橡 皮 筋 重 復(fù) 實(shí) 驗(yàn) ,并 使 橡 皮 筋 拉伸 的 長(zhǎng) 度 都 和 第 一 次 相 同 ,測(cè) 出 v2、 v3、 v4 ,橡 皮 筋 對(duì) 小 車 做 功分 別 為 2W、 3W、 4W 將 數(shù) 據(jù) 記 入 表 格 。(5)分 析 數(shù) 據(jù) ,嘗 試 作 出 W-v,W-v2等 圖 象 ,探 究 W、 v的 關(guān) 系 。 2.數(shù) 據(jù) 處 理(1)速 度 數(shù) 值 的 獲 得 ： 實(shí) 驗(yàn) 獲 得 的 是 如 圖 所 示 的 紙 帶 ， 為 探 究 橡皮 筋 彈 力 做 功 與 小 車 速 度 的 關(guān) 系 ， 需 要 測(cè) 量 的 是 彈 力 做 功 結(jié) 束時(shí) 小 車 的 速 度 ， 即 小 車 做 勻 速 運(yùn) 動(dòng) 的 速 度 。 所 以 ， 應(yīng) 該 在 紙 帶上 測(cè) 量 的 物 理 量 是 圖 中 A1、 A3間 的 距 離 x,則 小 車 速 度 的 表 達(dá) 式 為 其 中 T是 打 點(diǎn) 計(jì) 時(shí) 器 的 振 動(dòng) 周 期 。 即 選 擇 相 鄰 距 離 基 本相 等 的 若 干 點(diǎn) 來(lái) 計(jì) 算 小 車 勻 速 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) 的 速 度 。xv ,2T (2)計(jì) 算 與 W、 2W、 3W 對(duì) 應(yīng) 的 v、 v2、 v3、 等 數(shù) 值 ， 填 入 下面 表 格 。 v Wvn W 2W 3W 4W 5Wvv2v3v (3)逐 一 與 W的 每 組 數(shù) 值 對(duì) 照 ， 判 斷 W與 v的 可 能 關(guān) 系 或 分 別 試 探畫 出 W與 v、 W與 v2、 W與 v3、 W與 間 關(guān) 系 的 圖 象 ， 找 出 哪 一 組 的圖 象 是 直 線 ， 從 而 確 定 功 與 速 度 的 正 確 關(guān) 系 。 v 1.該 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 ？提 示 ： (1)若 不 平 衡 摩 擦 力 ， 小 車 在 開(kāi) 始 時(shí) 受 橡 皮 筋 的 拉 力 和摩 擦 力 作 用 ， 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 個(gè) 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) 兩 頭 密 、 中 間 疏 ， 幾 乎 找 不 到 間 距 相 等 的 點(diǎn) 。 (2)平 衡 摩 擦 力 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) 到 原 長(zhǎng) 后 做 勻 速 運(yùn) 動(dòng) ， 故 點(diǎn) 跡 開(kāi) 始 密 ， 然 后 越 來(lái) 越 疏 ，之 后 間 距 相 等 。 2.紙 帶 上 的 點(diǎn) 距 并 不 都 是 均 勻 的 ， 應(yīng) 該 選 用 哪 些 點(diǎn) 距 來(lái) 確 定 小車 的 速 度 ？ 為 什 么 ？提 示 ： 平 衡 摩 擦 力 后 ， 紙 帶 上 的 點(diǎn) 距 并 不 都 是 均 勻 的 ， 小 車 一開(kāi) 始 做 加 速 運(yùn) 動(dòng) ， 紙 帶 上 的 點(diǎn) 距 并 不 均 勻 ； 橡 皮 筋 恢 復(fù) 原 長(zhǎng)后 ， 小 車 做 勻 速 運(yùn) 動(dòng) ， 紙 帶 上 的 點(diǎn) 距 均 勻 。 我 們 要 選 擇 點(diǎn) 距 相等 的 點(diǎn) 來(lái) 確 定 小 車 的 速 度 ， 具 體 做 法 ： 測(cè) 出 點(diǎn) 距 相 等 的 n個(gè) 點(diǎn) 間的 位 移 x,則 速 度 xv n 1 T 。 3.在 改 變 橡 皮 筋 的 條 數(shù) 后 ， 為 什 么 要 把 小 車 拉 到 相 同 的 位 置 釋放 ？ 不 這 樣 做 會(huì) 出 現(xiàn) 什 么 現(xiàn) 象 ？提 示 ： 每 次 必 須 拉 至 相 同 位 置 ， 目 的 是 保 證 每 次 實(shí) 驗(yàn) 每 條 橡 皮筋 的 彈 性 勢(shì) 能 相 同 ， 這 樣 橡 皮 筋 總 的 彈 性 勢(shì) 能 與 條 數(shù) 成 正 比 ，使 得 做 的 功 與 橡 皮 筋 的 條 數(shù) 成 正 比 ， 隨 著 橡 皮 筋 條 數(shù) 的 增 多 ，做 功 分 別 為 W、 2W、 3W 若 不 嚴(yán) 格 拉 至 同 一 位 置 ， 就 不 滿 足 上 述情 況 ， 會(huì) 造 成 誤 差 加 大 。 4.試 分 析 ： 是 否 一 定 需 要 測(cè) 出 每 次 加 速 后 小 車 的 速 度 的 數(shù) 值 ？可 以 怎 樣 做 ？提 示 ： 不 一 定 。 設(shè) 小 車 每 一 次 獲 得 的 速 度 為 ： 即 小 車 在 第 二 次 實(shí) 驗(yàn) 以 后 的 每 次 實(shí) 驗(yàn) 中 獲 得 的速 度 均 可 用 第 一 次 速 度 的 倍 數(shù) 來(lái) 表 示 。1 2 n 21 2 n 1 2 21x x x xv v v v v v v n vT T T x ， ， ， 若 令 ， 則 ，nn n1xv v n vx ， 【 知 識(shí) 點(diǎn) 撥 】1.實(shí) 驗(yàn) 的 注 意 事 項(xiàng)(1)平 衡 摩 擦 力實(shí) 驗(yàn) 中 的 小 車 不 可 避 免 地 要 受 到 摩 擦 力 的 作 用 ， 我 們 研 究 的 是橡 皮 筋 做 的 功 與 小 車 速 度 的 關(guān) 系 ， 應(yīng) 設(shè) 法 排 除 摩 擦 力 的 影 響 ，因 此 可 采 用 將 木 板 一 端 墊 高 的 方 法 來(lái) 做 實(shí) 驗(yàn) ， 將 木 板 一 端 墊 高 ，使 重 力 沿 斜 面 方 向 的 分 力 與 摩 擦 力 相 平 衡 ， 就 能 消 除 摩 擦 力 的影 響 。 (2)紙 帶 的 選 擇應(yīng) 選 間 距 均 勻 的 那 一 段 紙 帶 來(lái) 計(jì) 算 小 車 的 速 度 ， 因 為 這 一 段 是橡 皮 筋 對(duì) 小 車 做 功 完 畢 后 的 情 況 。(3)不 需 要 求 出 功 的 數(shù) 值本 實(shí) 驗(yàn) 是 利 用 橡 皮 筋 伸 長(zhǎng) 量 的 多 少 來(lái) 表 示 拉 力 做 功 的 大 小 的 ，故 不 需 要 求 出 做 功 的 數(shù) 值 。 (每 條 橡 皮 筋 做 的 功 大 小 相 等 ) (4)用 圖 象 處 理 數(shù) 據(jù)我 們 無(wú) 法 直 接 由 一 些 數(shù) 據(jù) 得 出 規(guī) 律 性 的 結(jié) 論 ， 故 需 借 助 于 圖 象分 析 ， 而 最 容 易 想 到 的 是 W與 v的 關(guān) 系 ， 但 根 據(jù) 得 到 的 圖 象 無(wú) 法下 結(jié) 論 ， 故 再 作 W-v 2 圖 象 ， 進(jìn) 而 得 出 結(jié) 論 。 2.實(shí) 驗(yàn) 的 誤 差 分 析(1)誤 差 來(lái) 源 ： 沒(méi) 有 完 全 平 衡 摩 擦 力 對(duì) 實(shí) 驗(yàn) 的 影 響 。 橡 皮 筋 長(zhǎng) 度 、 粗 細(xì) 不 一 ， 使 得 拉 力 及 拉 力 做 的 功 與 條 數(shù) 不 成正 比 而 帶 來(lái) 誤 差 。 紙 帶 上 所 打 點(diǎn) 的 間 距 測(cè) 量 也 會(huì) 帶 來(lái) 誤 差 。 描 點(diǎn) 不 準(zhǔn) 帶 來(lái) 誤 差 。 (2)減 小 誤 差 的 辦 法 實(shí) 驗(yàn) 前 要 先 平 衡 摩 擦 力 。 盡 量 選 用 同 一 規(guī) 格 的 橡 皮 筋 。 選 用 間 距 均 勻 的 幾 個(gè) 間 隔 ， 測(cè) 量 其 總 長(zhǎng) 度 ， 求 得 平 均 速 度 。 描 點(diǎn) 時(shí) 既 要 觀 察 各 點(diǎn) 的 位 置 關(guān) 系 ， 又 要 考 慮 可 能 有 的 函 數(shù) 關(guān)系 ， 選 擇 適 當(dāng) 坐 標(biāo) 軸 標(biāo) 度 是 減 小 誤 差 的 關(guān) 鍵 。 【 規(guī) 律 方 法 】1.倍 增 法雖 為 變 力 做 功 ， 但 橡 皮 筋 做 的 功 ， 隨 著 橡 皮 筋 數(shù) 目 的 成 倍 增 加功 也 成 倍 增 加 。 這 種 方 法 的 構(gòu) 思 極 為 巧 妙 。 歷 史 上 ， 庫(kù) 侖 應(yīng) 用類 似 的 方 法 發(fā) 現(xiàn) 了 著 名 的 庫(kù) 侖 定 律 。 當(dāng) 然 ， 恒 力 做 功 時(shí) ， 倍 增法 同 樣 適 用 。2.使 橡 皮 筋 的 功 成 倍 增 加 的 方 法以 第 一 次 實(shí) 驗(yàn) 時(shí) 小 車 前 (或 后 )端 的 位 置 為 基 準(zhǔn) ， 垂 直 運(yùn) 動(dòng) 方 向在 木 板 上 作 出 一 條 水 平 線 。 以 后 改 變 橡 皮 筋 的 條 數(shù) 時(shí) ， 小 車 前(或 后 )端 仍 以 此 位 置 為 基 準(zhǔn) (均 從 靜 止 )運(yùn) 動(dòng) 即 可 。 實(shí) 驗(yàn) 的 注 意 事 項(xiàng)【 典 例 1】 關(guān) 于 “ 探 究 功 與 速 度 變 化 的 關(guān) 系 ” 的 實(shí) 驗(yàn) ， 下 列 敘述 正 確 的 是 ( )A.每 次 實(shí) 驗(yàn) 必 須 設(shè) 法 算 出 橡 皮 筋 對(duì) 小 車 做 功 的 具 體 數(shù) 值B.實(shí) 驗(yàn) 中 橡 皮 筋 第 二 次 的 伸 長(zhǎng) 長(zhǎng) 度 是 第 一 次 伸 長(zhǎng) 長(zhǎng) 度 的 二 倍C.實(shí) 驗(yàn) 中 長(zhǎng) 木 板 表 面 應(yīng) 該 盡 量 光 滑 且 水 平 放 置D.每 次 實(shí) 驗(yàn) 都 必 須 先 接 通 電 源 ， 再 讓 小 車 在 橡 皮 筋 的 作 用 下 彈出 【 思 路 點(diǎn) 撥 】 本 實(shí) 驗(yàn) 是 通 過(guò) 改 變 橡 皮 筋 的 條 數(shù) 來(lái) 改 變 做 功 的 大小 的 ， 而 不 是 通 過(guò) 改 變 橡 皮 筋 的 伸 長(zhǎng) 量 來(lái) 改 變 做 功 的 大 小 。【 解 析 】 選 D。 實(shí) 驗(yàn) 中 沒(méi) 有 必 要 測(cè) 出 橡 皮 筋 做 的 功 到 底 是 多 少 ，只 要 測(cè) 出 以 后 各 次 實(shí) 驗(yàn) 時(shí) 橡 皮 筋 做 的 功 是 第 一 次 的 多 少 倍 即 可 ，A錯(cuò) 。 每 次 實(shí) 驗(yàn) 時(shí) 橡 皮 筋 拉 伸 的 長(zhǎng) 度 必 須 保 持 一 致 ， 只 有 這 樣 才能 保 證 以 后 各 次 實(shí) 驗(yàn) 時(shí) 橡 皮 筋 做 的 功 是 第 一 次 實(shí) 驗(yàn) 時(shí) 的 整 數(shù) 倍 ，B錯(cuò) 。 小 車 運(yùn) 動(dòng) 中 會(huì) 受 到 阻 力 ， 只 有 使 長(zhǎng) 木 板 傾 斜 到 一 定 程 度 ，才 能 減 小 誤 差 ， C錯(cuò) 。 實(shí) 驗(yàn) 中 應(yīng) 先 接 通 電 源 ， 讓 打 點(diǎn) 計(jì) 時(shí) 器 開(kāi) 始工 作 ， 然 后 再 讓 小 車 在 橡 皮 筋 的 作 用 下 彈 出 ， D正 確 。 實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 的 處 理【 典 例 2】 在 “ 探 究 功 與 速 度 變 化 的 關(guān) 系 ” 的 實(shí) 驗(yàn) 中 ， 測(cè) 得 小 車質(zhì) 量 為 300 g， 使 用 的 橡 皮 筋 為 1根 至 6根 ， 每 次 增 加 1根 ， 小 車 受力 的 位 移 即 橡 皮 筋 被 拉 伸 的 長(zhǎng) 度 為 19 cm， 若 將 使 用 1根 橡 皮 筋 時(shí)彈 力 做 的 功 記 為 1.00， 則 用 2根 橡 皮 筋 時(shí) 彈 力 做 的 功 記 為 2.00根 據(jù) 打 點(diǎn) 計(jì) 時(shí) 器 所 打 紙 帶 可 計(jì) 算 出 橡 皮 筋 恢 復(fù) 原 長(zhǎng) 后 小 車 的 速 度 ，實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 如 下 表 。 用 圖 象 法 分 析 表 中 數(shù) 據(jù) ， 說(shuō) 明 W與 v之 間 的 關(guān) 系 。v/m s-1 W/J0.00 0.000.80 1.001.10 2.001.28 3.001.53 4.001.76 5.001.89 6.00 【 思 路 點(diǎn) 撥 】解 答 本 題 應(yīng) 把 握 以 下 三 點(diǎn) ：(1)合 理 選 擇 橫 軸 、 縱 軸 的 標(biāo) 度 。(2)根 據(jù) 函 數(shù) 圖 象 的 特 點(diǎn) ， 正 確 判 斷 物 理 量 間 的 數(shù) 量 關(guān) 系 。(3)由 判 斷 關(guān) 系 再 描 點(diǎn) 作 圖 驗(yàn) 證 分 析 的 正 誤 。 【 解 析 】 用 縱 坐 標(biāo) 表 示 橡 皮 筋 對(duì) 小 車 做 的 功 W， 橫 坐 標(biāo) 表 示 小 車獲 得 的 速 度 v， 根 據(jù) 表 中 數(shù) 據(jù) 作 出 W-v圖 象 ， 如 圖 所 示 。由 圖 可 見(jiàn) W-v圖 線 近 似 于 一 條 拋 物 線 ， 由 此 推 斷 W可 能 正 比 于 v 2。計(jì) 算 v2的 值 ， 列 表 并 作 出 W-v2 圖 象 ， 如 表 甲 、 圖 乙 所 示 。 甲 由 圖 乙 可 見(jiàn) ， W-v2圖 線 為 一 條 過(guò) 原 點(diǎn) 的 直 線 ， 說(shuō) 明 W與 v2成 正 比 。答 案 ： W與 v2成 正 比 。 v2/m2 s-2 W/J0.00 0.000.64 1.001.21 2.001.64 3.002.34 4.003.10 5.003.57 6.00 【 規(guī) 律 方 法 】 描 點(diǎn) 法 分 析 數(shù) 據(jù)(1)在 結(jié) 果 出 來(lái) 之 前 ， 應(yīng) 仔 細(xì) 觀 察 、 分 析 結(jié) 果 ， 去 掉 誤 差 太 大 的數(shù) 值 。 若 中 間 出 現(xiàn) 個(gè) 別 的 點(diǎn) 偏 離 正 常 位 置 很 遠(yuǎn) ， 有 可 能 是 偶 然因 素 導(dǎo) 致 的 ， 應(yīng) 舍 棄 該 點(diǎn) 再 重 復(fù) 進(jìn) 行 實(shí) 驗(yàn) ， 分 析 記 錄 結(jié) 果 。(2)若 要 根 據(jù) 記 錄 的 點(diǎn) 進(jìn) 行 描 線 ， 則 應(yīng) 描 出 平 滑 的 實(shí) 線 ， 并 盡 可能 讓 更 多 的 記 錄 點(diǎn) 通 過(guò) 平 滑 線 或 靠 近 平 滑 線 ， 而 且 這 些 記 錄 點(diǎn)要 在 平 滑 線 的 兩 側(cè) 均 勻 分 布 ， 不 能 在 描 線 的 過(guò) 程 中 出 現(xiàn) 折 線 。 (3)為 了 使 描 述 的 結(jié) 果 比 較 精 確 ， 實(shí) 驗(yàn) 中 記 錄 的 點(diǎn) 不 能 太 少 ， 并且 要 在 所 描 范 圍 內(nèi) 合 理 、 均 勻 分 布 。