题目内容

14.如图1所示,是某研究性学习小组做探究“橡皮筋做的功和物体速度变化的关系”的实验,图中是小车在一条橡皮筋作用下弹出,沿木板滑行的情形,这时,橡皮筋对小车做的功记为W.当我们用2条、3条…完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次…实验时,每次橡皮筋都拉伸到同一位置释放.小车每次实验中获得的速度由打点计时器所打的纸带测出.

(1)除了图中的已给出的实验器材外,还需要的器材有交流电源、刻度尺;
(2)实验时为了使小车只在橡皮筋作用下运动,应采取的措施是把木板的末端垫起适当高度以平衡摩擦力;
(3)每次实验得到的纸带上的点并不都是均匀的,为了测量小车获得的速度,应选用纸带的点距均匀部分进行测量;
(4)下面是本实验的数据记录表,请将第2次、第3次…实验中橡皮筋做的功填写在对应的位置;
 橡皮筋做的功10个间隔的距离S(m)10个间隔的时间T(s)小车获得的速度vn(m/s)小车速度的平方vn2(m/s)2
1W0.2000.2  
2 0.2800.2  
3 0.3000.2  
4 0.4000.2  
5 0.4500.2  
(5)从理论上讲,橡皮筋做的功Wn和物体速度vn变化的关系应是Wn∝v2.请你运用数据表中测定的数据在图2所示的坐标系中作出相应的图象验证理论的正确性.

分析 (1)实验中需要根据所打点之间的距离,计算物体的速度,因此需要的仪器还有刻度尺;实验中需要用到电磁打点计时器,必须提供4-6低压交流电源;
(2)小车下滑时受到重力、细线的拉力、支持力和摩擦力,要使拉力等于合力,需要采取平衡摩擦力的措施;
(3)小车先在橡皮条的拉动下做加速运动,当橡皮条恢复原长时,拉力减为零,小车由于惯性继续做匀速运动,因此小车匀速时的速度就是该过程中的最大速度;
(4)建立坐标系,根据表格中数据描点,用平滑的曲线连接,从而得到图象.
(5)根据图象的形状,结合数学知识进行分析功与速度的关系

解答 解:(1)根据实验原理可知,实验中需要刻度尺测量计数点之间的距离,来计算物体的速度,所以要用到刻度尺.
为了能让打点计时器工作,必须提供交流电源.故缺少刻度尺和交流电源.
(2)小车下滑时受到重力、细线的拉力、支持力和摩擦力,要使拉力等于合力,则应该用重力的下滑分量来平衡摩擦力,故可以将长木板的一端垫高平衡小车所受的摩擦力.
(3)纸带在橡皮条的作用下做加速运动,橡皮条做功完毕,则速度达到最大,此后做匀速运动,因此匀速时的速度即为该过程中的最大速度,故为了测量小车获得的速度,应选用纸带点距均匀部分测量
(4)我们把1根橡皮筋对小车做的功记为1W,作为功的一个计量单位.当我们用2条、3条…完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次…实验时,橡皮筋做的功分别是2W,3W,4W,5W…
(5)根据匀速直线运动的位移公式x=vt得:$v=\frac{x}{t}$,所以:
${v}_{1}=\frac{0.2}{0.2}=1m/s$,${v}_{2}=\frac{0.28}{0.2}=1.4m/s$,${v}_{3}=\frac{0.3}{0.2}=1.5m/s$,${v}_{4}=\frac{0.4}{0.2}=2m/s$,${v}_{5}=\frac{0.45}{0.2}=2.25m/s$;
所以:${{v}_{1}}^{2}=1$,${{v}_{2}}^{2}=1.96$,${{v}_{3}}^{2}=2.25$,${{v}_{4}}^{2}=4$,${{v}_{5}}^{2}=5.06$,
由动能定理可知,合外力做的功应等于物体动能的变化量,所以W与v2成正比,即Wn∝vn2,根据表中实验数据,应用用描点法作图,图象如图所示:
误差容许的范围内,图象是经过原点的直线,说明Wn与vn2成正比.
故答案为:(1)交流电源、刻度尺;(2)把木板的末端垫起适当高度以平衡摩擦力(3)点距均匀(4)2W、3W、4W、5W(5)v2;图象如图所示

点评 本题关键是结合探究功与速度变化关系的实验原理进行分析,如本实验中,明确小车的运动情况,先加速,再匀速,橡皮条做功完毕,速度最大,做匀速运动,故需要测量匀速阶段的速度.

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