高中物理 第四章 机械能和能源 4 动能 动能定理 研究合外力做功和动能变化的关系课件 教科版必修2.ppt

第四章 机械能和能源 目标定位 1 通过实验探究合外力对物体做的功与物体动能变化的关系 2 学习利用图像法研究合外力做功与物体动能变化的关系 研究合外力做功和动能变化的关系 知识探究 自我检测 一 实验原理 知识探究 由重物通过滑轮牵引小车 当小车的质量比重物大得多时 可以把重物所受的当做小车受到的牵引力 如图1所示 图1 重力 测量重物的质量 对应小车受到的牵引力 小车运动的 及对应这段距离的初 末速度 小车质量已知 从而探究牵引力做的功与小车动能变化间的关系 距离 二 实验器材长木板 一端附有滑轮 小车 小盘 砝码若干 打点计时器 纸带 复写纸 刻度尺 细线 三 实验步骤1 平衡摩擦力 如图1所示 将安装有打点计时器的长木板一端垫高 把纸带的一端固定在小车后面 另一端穿过打点计时器 不挂重物 改变木板的倾角 使小车能做匀速运动 2 把细线系在小车上并绕过定滑轮 悬挂小盘 在小盘里放入适量砝码 使小车的质量远大于砝码和小盘的总质量 小车在细线的拉力作用下做匀加速运动 3 先接通电源 再放开小车 让小车拖着纸带运动 打点计时器就在纸带上打下一系列点 4 重复以上实验几次 选择一条点迹清晰的纸带进行数据分析 由实验数据得出结论 四 数据处理1 小车速度的测量 通过实验获得打点的纸带 利用 匀变速直线运动中 某段时间内的平均速度等于该段时间中间时刻的瞬时速度 即vn 计算纸带上选定的点的速度 2 外力做功的测量 确定所挂钩码的重力g 即确定小车受到的合外力f f g 由纸带测出位移 然后由w fx算出功的数值 3 计算各数据中mv2和相应的合外力做功w的数值并填入下表 4 比较各次实验中合外力做的功和物体动能变化的数值 从而得到合外力对物体做的功和物体动能变化之间的关系 五 注意事项1 平衡摩擦力时 不挂重物 轻推小车后 小车能做匀速直线运动 2 必须保证所悬挂小盘和砝码的总质量远小于小车的质量 典例精析 例1某同学为探究 合外力做功与物体动能变化的关系 设计了如下实验 他的操作步骤是 按图2摆好实验装置 其中小车质量m 0 20kg 钩码总质量m 0 05kg 释放小车 然后接通打点计时器的电源 电源频率为f 50hz 打出一条纸带 图2 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3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点0的距离分别为d1 0 041m d2 0 055m d3 0 167m d4 0 256m d5 0 360m d6 0 480m 他把钩码重力 当地重力加速度g 9 8m s2 作为小车所受合力 算出打下点0到打下点5合力做的功w j 结果保留三位有效数字 把打下点5时小车的动能作为小车动能的变化量 算得 ek 结果保留三位有效数字 图3 解析小车受到的合外力f mg 0 05 9 8n 0 49n拉力对小车做的功w f d5 0 49 0 360j 0 176j小车打点5时获得的速度 答案0 1760 125j 2 此次实验探究的结果 他没能得到 合力对物体做的功等于物体动能的增量 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 a 钩码质量太大 使得合力对物体做功的测量值比真实值偏大太多b 没有平衡摩擦力 使得合力对物体做功的测量值比真实值偏大太多 c 释放小车和接通电源的次序有误 使得动能增量的测量值比真实值偏小d 没有使用最小刻度为毫米的刻度尺测距离也是产生此误差的重要原因答案ab 例2某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究 合外力做功与动能变化的关系 如图4所示 他们将拉力传感器固定在小车上 用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连 用拉力传感器记录小车受到拉力的大小 在水平桌面上相距50 0cm的a b两点各安装一个速度传感器 记录小车通过a b时的速度大小 小车中可以放置砝码 图4 1 实验主要步骤如下 测量和拉力传感器的总质量m1 把细线的一端固定在拉力传感器上 另一端通过定滑轮与钩码相连 正确连接所需电路 将小车停在c点 接通电源 小车在细线拉动下运动 记录细线拉力及小车通过a b时的速度 在小车中增加砝码 重复 的操作 然后释放小车 小车 2 如表所示是他们测得的一组数据 其中m是m1与小车中砝码质量之和 v v 是两个速度传感器所记录速度的平方差 可以据此计算出动能变化量 ek f是拉力传感器受到的拉力 w是f在a b间所做的功 表格中的 ek3 w3 结果保留三位有效数字 0 610 0 600 数据记录表 3 根据表中数据在图5中作出 ek w图线 图5 答案如图所示 自我检测 1 2 1 在 探究恒力做功与物体的动能变化量的关系 的实验中备有下列器材 a 打点计时器 b 天平 c 秒表 d 低压交流电源 e 电池 f 纸带 g 细线 砝码 小车 砝码盘 h 薄木板 1 其中多余的的器材是 缺少的器材是 1 2 解析计算小车速度是利用打上点的纸带 故不需要秒表 打点计时器应使用低压交流电源 故多余的器材是c e 测量点与点之间的距离要用毫米刻度尺 故缺少的器材是毫米刻度尺 答案c e毫米刻度尺 1 2 2 测量时间的工具是 测量质量的工具是 解析测量时间的工具是打点计时器 测量质量的工具是天平 打点计时器 天平 1 2 3 如图6所示是打点计时器打出的小车 质量为m 在恒力f作用下做匀加速直线运动的纸带 测量数据已用字母表示在图中 打点计时器的打点周期为t 请分析 利用这些数据能否验证动能定理 若不能 请说明理由 若能 请说出做法 并对这种做法做出评价 图6 1 2 解析从a到b的过程中 恒力做的功为wab fxab 物体动能的变化量为 答案见解析 2 物体在空中下落的过程中 重力做正功 物体的动能越来越大 为了 探究重力做功和物体动能变化间的定量关系 我们提供了如图7所示的实验装置 1 2 图7 1 2 1 某同学根据所学的知识结合图中实验装置设计了一个适合本实验情景的命题 如图所示 设质量为m 已测定 的小球在重力mg作用下从开始端自由下落至光电门发生的位移为x 通过光电门时的速度为v 试探究外力做的功mgx与小球动能变化量mv2的定量关系 1 2 2 某同学根据上述命题进行如下操作并测出如下数据 用天平测定小球的质量为0 50kg 用游标卡尺测出小球的直径为10 0mm 用刻度尺测出电磁铁下端到的距离为80 40cm 电磁铁先通电 让小球 让电磁铁断电 小球自由下落 光电门 吸在电