全优课堂高中物理4.3探究外力做功与物体动能变化的关系课件

打点计时器 、纸带、______ 重锤 、铁架台、夹子、 3．实验器材：___________ 毫米刻度尺 电源 __________、______.
4．实验步骤： (1)按图 4－3－2 把打点计时器安装在铁架台上， 用导线把打 点计时器与学生电源连接好．
图 4－3－2
(2)把纸带的一端在重锤上用夹子固定好， 另一端穿过计时器 沿竖直方向 限 位 孔 ， 用 手 ______________ 提起纸带使重锤停靠在 打点计时器附近 ． _________________ 接通电源，待打点稳定后，松开纸带 (3)_____________________ _________________，让重锤自 由下落． (4)重复几次，得到 3～5 条打好点的纸带． (5)在打好点的纸带中挑选点迹清晰 ________的一条纸带， 在起始点标 上 0，以后依次标上 1,2,3„用刻度尺测出对应下落高度 h1、h2、 h3„. hn＋1－hn－1 (6)应用公式 vn＝ 计算各点对应的即时速度 v1、v2、 2T v3„.
解析： － (1)W＝Fs＝50×10 3×9.8×0.4 J＝0.196 J， 1 1 2 Ek＝2mv2 ＝ × 0.2 × 1.00 J＝0.1 J， N 2 故 ΔEk＝Ek－0＝0.1 J. (2)由实验步骤知，造成较大误差的主要原因是： ①小车质量没有远大于钩码质量； ②没有平衡摩擦力； ③操作错误，先放小车后开电源． 答案：(1)0.196(或 0.2) 0.1 (2)见解析
知识梳理 一、实验与探究 探究重力做功与物体动能变化的关系 1．实验目的： _______________________________. 2．实验方法：让物体自由下落，下落过程经过 A、B 两点， 测出 A、B 两点的高度差 hAB 和 A、B 两点的速度 vA、vB，则重力 mghAB 做的功为 WG＝________. 1 2 1 2 2mvB－2mvA 动能变化为 ΔEk＝______________________. 验证 WG 与 ΔEk 的关系．
1 2 (7)计算各点对应的重力做的功 mgh 和动能的增加量2mvn， 进行比较． (8)将测得的数据填入下表，观察、对比、分析，寻求规律. 1 2 3 4 5 6 各点 下落高度 h/m － 速度 vn/(m· s 1) mghn 1 2 2mvn 结论
5．误差分析 (1)偶然误差 测量长度时会带来误差，减小误差的办法是： 第一个点 O 量起； ①测距离时都应从____________ ②多测几次取平均值． (2)系统误差 实验中重物和纸带下落过程中要克服阻力 (主要是打点计时 稍小于重力做的功 WG. 器的阻力)做功， 故动能的增加量 ΔEk 必定______
【例 3】 一个 25 kg 的小孩从高度为 3.0 m 的滑梯顶端由静 止开始滑下，滑到底端时的速度为 2.0 m/s.取 g＝10 m/s2，关于力 对小孩做的功，以下结果正确的是( ) A．合外力做功 50 J B．阻力做功 500 J C．重力做功 500 J D．支持力做功 50 J
解析：重力做功 WG＝mgh＝25×10×3 J＝750 J，C 错；小 孩所受支持力方向上的位移为零，故支持力做的功为零，D 错； 1 1 合外力做的功 W 合＝Ek－0，即 W 合＝2mv2＝2×25×22 J＝50 J， 1 2 A 项正确；WG－W 阻＝Ek－0，故 W 阻＝mgh－2mv ＝750 J－50 J ＝700 J，B 项错误． 答案：A
6．注意事项 (1)应尽最大可能减小各种阻力的影响，可采取如下措施： 密度较大 ①应选用质量和________ 的重物，以减小空气阻力的影响． ②打点计时器必须稳固安装在铁架台上，并且两个限位孔的 中线要严格竖直 ________，以减小纸带所受的摩擦力． ③释放前将纸带拉至竖直 ________ 且保证不与限位孔接触以减小纸 带与限位孔间的摩擦． 先接通电源 ， (2)实验时必须____________ 打点计时器正常工作后再放开 纸带让重物下落．
3．功与物体动能变化的关系 增加 ． (1)W 为正功时， Ek 2 ＞ Ek1 ，物体的动能______ 减少 ． (2)W 为负功时， Ek ＜ Ek ，物体的动能______
2

1
不变 ． (3)W＝0 时， Ek 2 ＝ Ek1 ，物体的动能______
思考：汽车在刹车时，汽车的速度越大，从刹车到停止通过 的位移也就越大，试分析其中的道理．
(1)在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条． 经 测量、计算，得到如下数据： ①第一个点到第 N 个点的距离为 40.0 cm.②打下第 N 点时小 车的速度大小为 1.00 m/s.该同学将钩码的重力当成小车所受的拉 力，算出拉力对小车做的功为 ________J ，小车动能的增量为 ________J. (2)此次实验探究结果，他没能得到“恒力对物体做的功，等 于物体动能的增量”，且误差很大．显然，在实验探究过程中忽 视了各种产生误差的因素．请你根据该同学的实验装置和操作过 程帮助分析一下，造成较大误差的主要原因是： __________________________________________.
探究实验数据处理 【例 1 】 某同学为探究“恒力做功与物体动能改变的关 系”，设计了如下实验，他的操作步骤是： ①摆好实验装置如图 4－3－4 所示．
图 4－3－4
②将质量为 200 g 的小车拉到打点计时器附近， 并按住小车． ③在质量为 10 g、30 g、50 g 的三种钩码中，他挑选了一个 质量为 50 g 的钩码挂在拉线的挂钩 P 上． ④释放小车，打开电磁打点计时器的电源，打出一条纸带．
【答案】B 【解析】质量为 1 kg 的物体被提高 1 m，则重力做功为 WG ＝－mgh＝－10 J，即物体克服重力做功为 10 J；根据动能定理， 1 2 1 2 1 W 合＝2mv1－2mv0＝2×1×22 J－0＝2 J；再由 W 合＝WG＋WT，得 到 WT＝W 合－WG＝2 J－(－10 J)＝12 J.
图 4－3－5
解析：本题考查实验数据的处理问题，根据实验原理直接进 1 行计算 T＝50 s＝0.02 s， 所以由 O 点到 C 点，重力做的功为： WG＝mgh＝1.00×9.80×77.76×10－2 J＝7.62 J. 打下 C 点时纸带(即物体)的瞬时速度： OD － OB 85.73－70.18×10－2 vC＝ ＝ m/s＝3.887 5 m/s， 2T 2×0.02 故动能的增加量为： 1 2 1 ΔEk＝2mvC＝2×1.00×3.887 52 J＝7.56 J.
三、动能定理 动能的变化． 1．内容：合外力 ______对物体所做的功等于物体__________
Ek 2 － Ek1 式中 E 表示物体的末动能 2．表达式：W＝__________. ______；Ek1 k2 合外力做的功 表示初动能 ______；W 表示_________________ ．
题后反思： (1)合力的功对应动能增量． (2)重力做功取决于初、末位置的高度差． (3)其他力的功可利用功的表达式或动能定理求解．
一个质量为 1 kg 的物体被人用手由静止向上提升 1 m，这时物体的速度是 2 m/s，则下列说法中错误的是( ) A．手对物体做功 12 J B．合外力对物体做功 12 J C．合外力对物体做功 2 J D．物体克服重力做功 10 J
【例 2】 在探究外力做功与物体动能变化的实验中， 已知打 点计时器所用的电源的频率为 50 Hz，查得当地的重力加速度 g ＝9.80 m/s2， 测得所用的重物的质量为 1.00 kg.实验中得到一条点 迹清晰的纸带，如图 4－3－5 所示，把第一个点记作 O，另选连 续的四个点 A、B、C、D 作为测量的点，经测量知道 A、B、C、 D 各点到 O 点的距离分别是 62.99 cm、 70.18 cm、 77.76 cm、 85.73 cm.根据以上数据，可知重物由 O 点运动到 C 点，重力做的功为 7.62 7.56 ________J ，动能的增加量等于________J( 取两位有效数字)．结 论是：在误差允许的范围内重力所做的功等于物体动能的增加量 _______________________________
题后反思： t (1) 利用匀变速直线运动的一个推论 v 2 ＝ v t ，求得瞬时速 度．另外要注意测量长度单位的换算． (2)由于阻力做负功，因此在计算结果中 ΔEp＞ΔEk.
对动能定理的理解 1．物理意义 动能定理指出了物体动能的变化是通过外力做功的过程 (即 力对空间的积累)来实现的， 并且通过功来量度， 即外力对物体做 的总功，对应着物体动能的变化． 2．动能定理的计算式是标量式 v、s 为相对同一参考系(一般为地面)的运动量，且式中只涉 及动能和功，无其他形式的能． 3．研究对象 动能定理所研究对象为单一物体，或者可以看成单一物体的 物体系． 4．W 的含义：是指包含重力在内的任意外力的功都能引起 动能的变化．但只有重力或弹力做功才能引起重力势能、弹性势 能的变化，要注意以下对应关系.
二、理论分析与论证 1．推导
图 4－3－3 如图 4－3－3 所示，质量为 m 的物体，在恒力 F 和摩擦力 f 作用下，经位移 s 后，速度由 v1 增加到 v2.
(F－f)s ① 外力做的总功：W＝_________. ma 由牛顿第二定律：F－f＝_________. ② 2 v2 － v 2 1 2a 由运动学公式：s＝______________. ③ 1 2 1 2 2mv2－2mv1 联立①②③式得：W＝________________________. 即 W＝ Ek 2 － Ek1 ＝ Ek . 外力做的总功等于物体动能的变化 2．结论：__________________________________.
【答案】汽车刹车时，汽车克服阻力做功，其动能减小．汽 车的速度越大，其动能越大，克服阻力做的功就越多，由于阻力 一定，所以从刹车到停止通过的位移也就越大．