第六课时-实验-探究功与速度变化关系.docx

第六课时实验探究功与速度变化关系【本讲教育信息】1教学内容；第六节探究功与物体速度变化的关系第七节动能和动能定理二知识要点：通过实脸探究力对物体做的功与物体速度变化的关系；体会探究的过程和所用的方法。理解动能的概念会用动能定义进行计算,理解动能定理的推导过程,会解有关力学问遨.Hi点.限点解析：I.探究功与物体速度变化的关系(1)实验目的通过实聆探究力对物体做的功与物体速侬变化的关系：体会探窕的过程和所用的方法(2)实验器材木板、小车、橡皮筋、打点计时器及电源、纸带等。(3)探一思路(如下图)设法让橡皮筋对小布做的功分别为M2W、3W巾纸带和打点计时器分别浏出小车获得的速度VkV八v以檄皮筋对小车做的功为纵坐标(以第一次实验时的功W为雎位)，小车荻得的速度为横坐标，作出W-V曲嫉。如果W-V曲段是一条直线，说明W8V；如果不是百.线，可箭手考虑是否存在以卜关系：W«V2、w=v，、W=4根捌W-V草图.大致判断两个用可能是什么关系.如果认为很可能是Woc/.就作出W-/曲线,如果这条曲缓是一条直线,就可以证明你的判断是正确的.(4)考前须知当用2条、3条同样的橡皮筋进行第2次、第3次实睑时,次实脸中橡皮筋拉伸的长度都保持和第一次一致,以保证第2次、第3次橡皮筋的功是2W、3W可参考以下方法：在长木板的宥打点计时器的一相下面垫一块木板，反复移动木板的位置，I1.至小车在斜面上向下运动时可以保持匀速自我运动状态.(此时小车上不挂橡皮筋)。这时小车在向下运动时，受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力在斜向方向上的分力平衡.在用纸带确定由于襟皮筋做功而使小车狭得的速度时，应该是橡皮筋恢u形变以后小车的速度，所以在纸带上应选用那些间距较大，具相对均匀的戊来谈定小车的速度，本探究实脸中的重要方法及技巧研究两个物理量的比例关系是探究两个此数量关系的重要方法.研究比例关系可以为实验测量提供很大的方便和可能.例如,一根橡皮条对小聿做的功是很:碓确定的.如果改用两根椎皮条在完全相同的情况下做的功的具体数值仍是很难确定的.但是，假设以一根板皮条对小车做的功为功的单位W,两根椎皮条船的功无疑是2W.将问题转化以同化实验过程：探究的任务是外力对物体做的总功与速度变化的关系，本实验总是让小车从静止开始运动，使测定两个速度(初速度和末速度)的问题行化为测定一个末态速度的问题，非常有利于操作和数据处理发现规律(也有缺乏之处).谀法减小实验误差：实验误差的大小宜接关系着探究_E作是否成功，是否能正确地建立变价之间的关系，揭示W物的本侦，本实蛤注虫了两个方面：平衡小车在木板上运动的摩擦力保证小车脱点檄皮条后做匀速运动；在纸带上选取点迹清楚、间距均匀的局部计算小车的速度，利川物理图象,适当地进行坐标交换探索物理量之间的关系.2 .动能、动能定理(I)动能概含：物体由于运动而具有的能叫动能,物体的动能等于物沐的质址与物体速度的：次方的乘积的一半.定义式：V是瞬时速度“单位：焦(J).动能概念的埋解.动能是标M，且只有正伯。动能具有廨时性，在某一时刻，物体具有一定的速度，也就具有一定的动能.动能具有相对性,对不同的参考系,物体速度有不同的瞬时值也就具有不同的动能,一改都以地而为参考系研究物体的运动.(2)动能定理合外力对物体所做的功,等于物体动能的增加贵.这条规律叫检动能定理.表达式：W=一或I=AEk1W是外力所做的总功，品1、&2分别为初末状态的动能.假设初、末速度分别为W、VZ.届么乐产5nvJ,Eu=2nv2.物理意义：动能定理的实质说明了功和能之间的密切关系，即做功的过程是能量转化的过程。等号的意义是一种因果联系的数值上相等的符号.并不意味着“功就是动能增量”，也不是“功转变成动旎”,而是“功引起物体动能的变化”.动能定理的理解及应用要点动能定理虽然可根据牛顿定律和运动学方程推出,但定理本身的意义及应用却具有广泛性和普遍性.动能定理既适用于恒力作用过程，也适用于变力作用过程.动能定理既适用于物体作口战运动情况，也适用于物体作曲线运动情况，动能定理的研究对象既可以是单个物体，也可以是几个物体所组成的一个系统。©动旎定理的研究过程既可以是针对运动过程中的某个具体过程,也可以是针对运动的全过程.动能定理的计算式为额质式，V为相对同一参考系的速度”在V=E*2-Et中，W为物体所受所有外力对物体所做功的代数和，正功取正值计算，负功取负值计算：EH-Eh为动能的增鬓,即为末状态的动能与初状态的动能之差，而与物体运动过程无关.应用动能定理解遨的一殷步.骤明确研究对&,一般指单个物体；对研究对象进行受力分析：找出各力所做的功或合外力的功：©明确始末状态确定其动能：根据动能定理列方程：©求解井验算。动能定理的应用技乃由于动能定理反映的是物体两个状态的动能变化与其合力所做功的耳值关系，所以对由初始状态到终止状态这一过程中物体运动性施、运动轨迹、做功的力是恒力还是变力等诸多问膨不必加以研究,就是说应用动能定理不受这拄何跑的限制*般来说,用牛顿第二定律和运动学知识求解的柯题，用动能定理也可以求好,而往往用动能定理求解简然：可是，有些用动能定理能够求解的问题，应用牛顿第：定律和运动学知识却无法求解UJ以说,对于变力作用下运动、或者曲戏运动问题牛顿定律无法求解可以说，动能定理使用范围更加广泛。3 .应用动能定埋求变力的功变力做功不能由定义直接计算，一般用动能定理计算，即由物体动能波变求御外力做功从而求出变力做功.应用动能定理,既可以分段计维也可以对全程计算.【典型例题】I例I1.为了计尊由于橡皮筋做功而使小车获得的速度，在某次实蛤中某同学得到了如图1所示的条纸带，在A、B、C,D中应该选用此个点的速度才符合要求？ABCD图1MUfr：实验中所要求测盘的速度应该是襟皮筋作用完毕以后，小车的速度，也就是小车所块得的最大速度，由图1中可以看出，A、B两点橡皮条还没有作用完毕，而D点是橡皮条作用完毕后已经过了一段时间，所以协理.想的应该是C点的速度。答案，CI例2|某同学在探究功与物体速度变化的关系实验中，设计了如图2所示的实正将纸带固定在立物上,让纸带穿过电火花计时器或打点计时器”先用手提着纸带,使重物静止在靠近计时器的地方。然后接通电源,松开纸带,让重物自由下落,计时器就在纸帝上打下一系列小点.得到的纸带如图3所示.D点为计时器打下的第I个点，谈同学对数据进行了以下处理：取OA=AB=BC.并根抠纸带算出了A、B,C三点的速度分别为VA=O.12nVs,11j=0.17ms,t=0.21.ms,图2图3根据以上数据你能否大致判断W=/?解析，设由。到A的过程中，31力对电物所做的功为W,那么由。到B过程中.利力对乘物所啦的功为2W，由O到C的过程中，立力对立物所做的功为3W',2d1由计算可知.vi=1.44×1.O2m2s2.vJ=2.89×10Ws2.v=4.41X102/s2,vi2.vi3,E1.vJ2vJ,丫2七3丫：；由以上数据可判定W=V?是正确的，也UJ以根据W-VJ的佃线来刊断（见图4）I例3总顺收为M的列车，沿水平直跷凯道匀速前进，其末节车JW顷最为m,中途脱节，司机觉察时,机车已行收1.的距离,于是立即关闭发动机，除去牵引力,设运动的眼力与质量成正比,机车的牵引力是恒定的.当列车的两局部都铮止时,它们的距离是多少？½7777½½.I¾y图5解析，解法一：先画出草图如图S,企图中标明各局部的位移。对车头.在脱钩前后的整个过程中运用动能定理有：2F1.k(Mm)gs=O-2(M-n对车尾末节车Jff1.，应用动能定理有kingSi=O-2mvo由位移关系知：s=s-s2由于列车脱离前作匀速运动故F=kMgM1.由2)®联立得：-m解法二I设列车匀速行驶时速度为、“，那么脱钩后，尾茄乍厢作匀减速运动至停止,运动过程初速度为vo.末速度为零,设加速我大小为a,运动位移为s.对车头向部(M-m)的运动作如图6分析图.设在A处脱的，运动1.至B点时才觉察后立即关闭汽门，那么AB段上为匀加速运动,达B点时速慢有最大值Vin从B戊开始，该部车间作匀M速运动至D点刚好停止，考察BD过程，其中必有点车速为V。，设为C点,那么CD过程作初逑为V。、加速度大小也为a、东速度为零的运动，此段位移与尾部车蹴的位移S1.相同,由此可知,当两部都停止运动后,两车的间距大小等于AC的大小.图6根据以上分析,收车头局部为研究对象.取AC过程来分析.依动能定理有:F1.-Fy(1.+1.)=0F=kMgF尸k(Mm)gMi1.联立解得I=M-mM1.故两车都停止后相隔的间距为：4s=1.+1.=M-w献三.补偿法假设脱钩后立即关闭发动U1.那么机车、车厢应前进相同的距禹而停在一起。现在之所以杵下后拉开一段距离，是因为牵引力F在1.的距惠上多做了功，因而机车动能多了一些，使我克服阻力多走一段亚离As。可见，F在1.距离上做的功应等于阻力在5比离上做的功，即F1.=k(M-m)gss=k(M-m)g=k(M-m)g=M-WII例4一铅球运发动，奋力-推将8kg的铅球推出Iom远.铅球落地后符地面击出一坑，有羟饕的专家根据坑的深度形状认为铅球落地时的速度大诙是I2ms,假设铅球出手时的高度是2m,求推球过程中运发动对球做的功大约是多少焦耳？MMfri设铅琼出手时的速度大小是Ve对银环从出手到落地这一过程运用动能定理,在这一过程中I1只有35力对铅球做功，所以有mgh=5m-5mW：铅球出手时的速率Vo=JV匚9=J12'-2×10×2nVsIOnVs,2对运发动抛铅球的过程应用动能定理，人对球做的功认为是力对铅球的合功，那么W,=2mV；-111三三2-三三0=2mv0=2mv2-mgh=(2×8×122-8×10×2)J=416J-IM51如图7所示侦此为2kg的铅球从离地面2m高处自由下落，陷入沙坑2cm深处，求沙子对铅球的平均阻力。TH2m图7解析：解法一.小球的运动分为自由下落和陷入沙坑取速运动两个过程，根据动能定理，分段列式，2设铅球力由下落过程到沙面时的速度为V,那么mgH=2m-02设铅球在沙中受到的阻力为F.那么Mgh-Fh=0-2mv2代入数据解得F=2O2ON解法二，全程列式：全过程中取力做助mg(1.1.÷h),进入沙中阳力做功一Fh,全程来看动能变化为零,那么由W=Eki-Eu,Wmg(h+H)-Fh=O.内索h+党2×10×(2+002).r002=2020、解得：F=【模拟试题】1 .关于探究功与物体速度变化的关系实脸中，以卜表达正确的选项是（）A.每次实验必须设法驾出橡皮筋对小车做功的具体数值B.每次实验中，橡皮筋拉伸的长度没育必要保持一致C,放小车的长木板应该层V使其水平D.先接通电源,再让小车在板皮筋的作用卜弹出2 .在探究功与物体速度变化的关系的实验中，某同学在一次实5金中得到了条如图1所示的纸带.这条纸带上的点两端较密，中间畸，出现这种情况的限因可能是（）A.电源的频率不稳定B.木板赖籍程度太大C.没有使木板惯斜或倾斜角太小D.小车受到的阻力较大图13 .现有以下器材：电火花打点计时器、境锤、纸带、铁架台、直尺、铅笔等.试设计一个实验，研究合外力做的功与物体速度的关系，要求：（1）构思实脸方案：（2）说明操作方法、测质方法和测量数据：（3）说明探究功与速度关系的方法，4 .关于对动能的理解,以下说法IE确的选项是（）A.动能是UI械能的一种表现形式,但凡运动的物体都具有动能B.动能总为正值C.一定质汆的黝体，动能变化时，速度一定变化：但速度变化时，动能不一定变化D.动能不变的物体，一定处于平衡状态5 .对于功和能的关系,以下说法中正确的选项是（）A,功就是能.能就是功B,功可以变为能，能可以变为功C.做功的过程就是能及转化的过程D.功是物体能fit的盘度6 .被将直上他的物体的初速度与I可到她出点时速度大小之比为K假设空气阻力大小恒定.僚么而力与空气阻力的大小之比为（）2犬、1£+1A.KB.KC.K2-1D.K-I7 .而崎为m的物体，在水平面上只受摩擦力作用，以初速度Vo做匀减速直城运动，经距离d以后,vC速度减为"?，那么（）.A.此平面动摩擦因数为8gd48 .物体再前诳彳便件止3wv2C,摩擦力做功为Z”PD.假设使物体前进总距离为2d时,箕初速度至少为YD，08 .一煤子弹速度为V时，刚好垂直射穿一块铜板.那么当其速度为2丫时，可乖直时穿几块同样的钢板？黄设要垂直射穿N块同样的钢板，那么子邦的速度至少为多人？9 .如图2所示.物块m从高为h的斜面1：滑下,又在同样材料的水平面上滑行S后静止.一向倾角为,物块用斜面到水平面时圆滑过渡，求物块'j接触面向的动庠擦囚虬10 .图3中ABCD是一条长轨道，其中AB段是倾向为Q的斜面，CD段是水平的。BC是与AB和CD都相切的一小段网弧.其长度可以略去不计.质Ia为m的小滑块在A点从静止状态择放,沿凯道滑下，般后停在D点，A点和D点的位置如下图.现用一沿着轨道方向的力推滑块,把它线慢地由D点推回到A点时伶下。设滑块与轨道间的动摩擦因数为,那么推力对滑块做的功等于（）hA.nighB.2mghC.mg（s+sm）D.mg+mghcosO.1.u2'1-，-H图311 .如图4所示,在光滑的水平面上有平板小车，M正以速度V向右运动。现将Tft最为m的小块无初速地放在小车上.由于木块和小车间的摩擦力的作用，小车的速度将发生变化,为使小车保持原来的运动速度不变必须及时对小车施加一向右的水平恒力F,当F作用一段时间后把它嬷去时,木块恰能随小车一起以速度丫共同向右运动.设木块和小车间的动摩擦因数为P,求在上述过程中,水平恒力F时小车做多少功？图412 .如图5所示，小琼沿便角=30o的机捷斜面的顶端由静止开始滑下,与比于斜面底湘A处的木板2地推后反向弹回，假设斑次与板罐撞后都能弹回本次下沿距面的3,空气阻力不计，小球与木板诙推后无动能损失，Ra,B间距离s>=6m,求小球在静止前所通过的总路程为多少？QS13 .位于我国新疆境内的塔克拉玛干沙漠，气候枯燥,风力强劲.是利用风力发电的绝世佳境。设该地强风的风速v=20m,空气密度p=1.3k助7.如果把通过横敲面积为s=20m2的风的动能全部转化为电能，那么电功率的大小为多少？（取一位有效数字）14 .电动机通过一轻绳出起一册附为8kg的物体，绳的拉力不能超过I20N,电动机功率不能超过12（X>W,妾将此物体由静止起用最快的方式用高9<）m（此物体在被吊高接近90m时已开始以蜃大速度匀速上升）所需时间至少为多少？【试题答案】I.D解析,本实脸没有必要测出橡皮筋做的功到底是多少住耳,只要泅出以后各次买5金时橡皮筋做的功是第一次实验时的多少倍就已羟足够了，A错：短次实能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，檄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，只有使木板用创到一定程度,才能减小误差,CKh实脸时,应该先接通电源，让打点计时器开始工作，然后再让小车在椽皮筋的作用下弹出,D正确.2. D3.略4. A、B、C2解析，物体由于运动而具有的能叫动能，故A对：由Ek=J,r知,Ek>0,故B时：由于速度是矢fit当速度大小不变、方向变时,动他不变,但动能变时,速度大小一定改变故C对：做匀速例周运动的物体，其动能不变，但物体却处于非平衡状态，故D错，5. C解析，动和能是两个密切相关的物理眦，但功和能有本柄的区别，动是反映物体间在相互作用过程中能Jft变化多少的物理量,与具体的能盘变化过程相联系是一个过程肽.能是用来反映物体具有做功本城的物理收，物体处于一定的状态(如速侬和相对位跣J就其白一定的能H.能是状态量：功是反映能吊变化的多少，而不是反映能量的多少.6. C解析I设阻力为F“初速度为Kv.末速度为V,上升最大高度为h.2上升过程依动能定理有W=AEt-IIng+Ff)h=2m(h22下降过程依动能定理有(mg-Iv)h=2mv1,wgK3+解曲T=E7. A.B、DJ巴I解析，设动摩擦因数为U.据动能定理W=A&有W尸WMm=5,”(*2)2-2/«v?=-8Wvi.*；1.”色解得-8gd,选项A正确：设物体总共能滑行s.那么有：一JMmgm0-3mV：得S=T,即再前进3使停1匕选项B正确：假设要使物体滑行2d.那么物体初速度为V,根据动能定理有：-mg(2d)=0222mv01得V=V2v0,选项D正确.8. V=5V。解析，子弹在射穿钢板的过程中,只有钢板对子弹的阻力做动，使子弹的动能减小。设怨一块钢板的厚度为d.子弹受到斜板的阻力为F/.由动能定理可得：2子弹速度为V,刚好射穿一块钢板时，有一F用=0-5mv22设子弹速度为2v,刚好能射穿N块钢板时,-F>-Nd=O-2m(2v)2联立解、可得N=42设子弹以速度3运动刚好能射。N块钢板，那么有一号Nd=O-ImM联立解、可得Y=WV9. =Acot+J=tan解析r物体在料面上下滑时噂撩力做负功，电力做正功，动能增加，在水平面上沿行时只有摩擦力做负功,最后减速到零,全过程动能变化肽为零.可在全过程中应用动能定理求耨.在全过程中应用动能定理，有ngh(tngcossin6+“mgs)0解得-ACOt0+$-Iana其中a为物体初末两位置A.B连线与水平面夹角。10. BIwh小滑块在斜面上和在平面上运动时都受到三个力，即电力、支持力和憬接力.整个过程中，支持力由于与速吱方向始终垂出，故不做功。从A到D的过程中,由动能定理，有Wg-W,产0WW<；=mgh当它返网时，从D到A的过程中，重力和摩擦力均做负功,因推力平行于轨道，所受库擦力大小跟A到D过程相同，做的功也相等，均为一WFe从D到A的返回过程，根据动能定理，有Wr-mg1.)Wh=O,WH=ngh+Wn=2mgh。11. Winv-解析，此SS中的m和M是通过摩擦相互联系的.曲中已经给出最后两拧速度均为V,解胭的关键是要找出S,和s,.的关系。-2一由于st=w,s<=U-2,所以sOs4=2/1根据动能定理。对于木块有WWgS小5”,F2-OMv2Mv2对于车有WF-WHgS=2-2=<)将式取系起来，可得Wf=mv212.30m解析，的蔻意可知,小球先沿科面向下加速运动.与挡板碰后沿斜面向上减速上升,依次反复.由于不断地克眼摩擦力做功，每次与挡板A相碰时,速度都比前一次要小，故最终伸于挡板前.设小球与斜面间的动摩擦因数为,球沿斜面下滑过程受力分析如下图。研究小球第一次由的止从距A端M处的B点卜滑和琲撞弹回上升到逑度为厚的全过理,由动能定理得：22mg(so-3So)sina-mgcosa(+3j)=01=5tana球股终一定停在A处.研究球从B处静止下渐到最终停在A处的全过程,出动旎定理得：mg¾Sinamgcosas.=0SOtana所以小球通过的总路程为：S=5=30m13. 1.(M×1O'W解析：据咫逆C时间内通过横松面s的风的质状m=p-Vt-S这些风的动能E4=2=2Pst因JA的动能全部转化为电能，那么电功率的大小空-pisi×1.3×20,×20WrP=:=2=2=1,04×osw14. 7,75s解析，此题可分为两个过程来处理：第一个过程足以绳所能承受的最大拉力拉物体,使物体匀加速上升,第一个过程结束时，电动机功率刚到达最大功率.第二个过程是电动机直以最大功率拉物体.拉力逐渐减小，物体交加速上升，当拉力M小至等于流力时，物体开始匀速上升。F1.Eg120-8×10在匀加速运动过程中，加速度O=W=8=5ms2.1200.r加/S匀加速运动的末速度v=2*=120=10r111.'sV110A匀加速上升时间=5s=2sVIA竺加速上升高度h="5=2×2m=IOn在功率忸定的上升过程中，破后匀速运动的速度2.1200vn=F=mS=8x1011's=15m's此过程外力对物体做的总功W=P1J2-mgh2I3Ij"WVwmv由动能定理W=ZE,得P1J1.mgW=2-2代入数据解得h=5.75s所需时间最少应为t=t+t2=(2+5.75)s=7.75s选检电1 .探究功与物体的速改有什么关系的实验中为什么要平衡摩擦力？能否用本实5金装置探究拉力与摩擦力的合力所做的功与小车速度变化的关系？答案解析：本实验是为/探究梭皮筋对小车做的功与小车获得的速度间的关系,为此,必须排除摩擦力的干扰.所以要平衡摩擦力.假设不平衡摩擦力,那么当拉力与摩擦力的合力为0时小车的位置，并不是黑皮筋刚恢或为自由长度时的位次,而是在博皮筋刚变为自由长度时的位汽之前，且该位置的橡皮筋条数的增加而发生变化.也就是说，在橡皮筋快为自由长度曲,小车以不同程度地进入了减速运动阶段,我们在册带上很赚确定相应的位?1.再行.当一次次增加橙皮®i时.即拄力成倍增加时,摩擦力没有发生变化.不可能相府地成倍增加.我们无法计。合力功的大小，也不可能使合力功成倍增加，所以不能用本实验笠徨探究拉力与摩擦力的合力所做的功与小车速度变化的关系.2 .假设再给你一架天平和硅码,你能利用本实脸装置研究功与质量、速度间的关系吗？诂说说你的设想.答案解折：我们已经知道功与速度间的关系是W=v2,所以功与侦求、速度间的关系可能是W-mv2,W-士m2v2,W«m用天平测出小车的项最，并在小车内加不同数收的位码以改变小车的总桢Hm.如教材中的探究实将士那样进行操作，确定梅皮筋所做的功W,溯出小车相应的速度V,画出W-mv2、W-m2v2sWE等图看哪种图型是过原点的假斜口钱，即可确定相应的比例关系.答案：橡皮笳所做的功和小车的质眉与所获速度的平方的乘枳成正比，即WamV2.