学生实验教学设计及教案分析

实验：探究动能定理

[基本要求]

[数据处理] (1)测出每次做功后，小车获得的速度. (2)分别用各次实验测得的v和W，绘制W­v或W­v、W­v、…图象，直到明确得出W和v的关系. (3)结论：物体速度v与外力做功W间的关系为W∝v. [误差分析] 1.误差的主要来源是橡皮筋的长短、粗细不一，使橡皮筋的拉力做功W与橡皮筋的条数不成正比. 2.没有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力时倾角过大也会造成误差. 3.利用打上点的纸带计算小车的速度时，测量不准确带来误差. [注意事项] 1.平衡摩擦力：将木板一端垫高，使小车重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡.方法是轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否匀速运动，找到木板一个合适的倾角. 2.选点测速：测小车速度时，纸带上的点应选均匀部分的，也就是选小车做匀速运动状态的.

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3.规格相同：橡皮筋规格相同时，力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可，不必计算出具体数值. 考点精练

考向1 对实验操作的考查

[典例1] 某学习小组做“探究功与速度变化的关系”的实验如图所示，图中小车是在一条橡皮筋作用下弹出的，沿木板滑行，橡皮筋对小车做的功记为W.当用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(每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致)，每次实验中小车获得的速度根据打点计时器所打在纸带上的点进行计算.

(1)除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、刻度尺和

(填“交流”或“直流”)电源. (2)实验中，小车会受到摩擦力的作用，可以使木板适当倾斜来平衡摩擦力，则下面操作正确的是(

) A.放开小车，能够自由下滑即可

B.放开小车，能够匀速下滑即可

C.放开拖着纸带的小车，能够自由下滑即可

D.放开拖着纸带的小车，能够匀速下滑即可

(3)若木板水平放置，小车在两条橡皮筋作用下运动，当小车速度最大时，关于橡皮筋所处的状态与小车所在的位置，下列说法正确的是(

) A.橡皮筋处于原长状态

B.橡皮筋仍处于伸长状态

(4)在正确操作的情况下，打在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

部分进行测量(根据如图所示的纸带回答).

[解析] (1)打点计时器使用的是交流电源. (2)平衡摩擦力时，应将纸带穿过打点计时器，放开拖着纸带的小车，小车能够匀速下

滑即可，D正确. (3)水平放置木板，放开小车后，小车做加速运动，当橡皮筋的拉力大小等于摩擦力大小时，小车的速度最大，此时橡皮筋仍处于伸长状态，B正确，A、C、D错误. (4)从纸带上看，纸带的GJ段打点比较均匀，所以应选用纸带的GJ段进行测量. [答案] (1)交流

(2)D (3)B (4)GJ

反思总结

1.为使橡皮筋的拉力所做的功为合外力对小车所做的功，必须平衡小车的摩擦力. 2.利用小车拖着纸带，小车匀速运动则摩擦力才算被平衡，此操作一是可通过纸带观察小车是否匀速，二是可同时平衡纸带运动所受的阻力. 考向2 对数据处理及误差的考查

[典例2] 某同学用如图所示的实验装置探究小车动能变化与合力对它所做功的关系.图中A为小车，连接在小车后面的纸带穿过打点计时器B的限位孔，它们均置于水平放置的一端带有定滑轮足够长的木板上，C为弹簧测力计，不计绳与滑轮的摩擦.实验时，先接通电源再松开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点.

该同学在一条比较理想的纸带上，从点迹清楚的某点开始记为0点，顺次选取5个点，分别测量这5个点到0之间的距离，并计算出它们与0点之间的速度平方差Δv(Δv＝v－v20)，填入下表：

点迹

0

1

2

3

4

5

2222x/cm

－

1.60

3.60

6.00

7.00

9.20

Δv/(m·s) －

0.04 0.09 0.15 0.18 0.23 222－2(1)请以Δv为纵坐标、x为横坐标在坐标图中作出Δv­x

图象.若测出小车质量为0.2 kg，结合图象可求得小车所受合力的大小为

N.

(2)若该同学通过计算发现小车所受合力小于弹簧测力计读数，明显超出实验误差的正常范围.你认为主要原因是

，实验操作中改进的措施是__________________. [解析] 由v－v20＝2ax可知Δv＝2ax，

在Δv­x图象中，斜率k＝2a＝2.5，

由F＝ma，得F＝0.25 N. [答案] (1)图象如图所示

0.25 222

(2)小车滑行时所受摩擦阻力较大

将木板左侧垫高，使木板倾斜一定的角度以平衡摩擦力

反思总结

处理实验数据的方法有平均值法、列表法和图象法，本题主要用了后两种方法处理实验数据.列表法的优点是将数据列成表格，可以简明地表示出有关物理量之间的关系，便于检查测量结果和运算是否合理，有助于发现和分析问题，而且列表法还是图象法的基础.图象法的优点是通过作图可以找到或反映物理量之间的变化关系，并便于找出其中的规律，确定对应量的函数关系. 考向3 实验创新及改进

本实验可从下列两个方面改进创新

1.实验器材的改进：用拉力传感器测量拉力，用速度传感器测量速度. 2.实验方案的创新

(1)利用自由落体运动探究功和动能的关系. (2)研究小车以不同的初速度沿粗糙水平面滑动的距离，得出小车的初动能大小与克服

摩擦力做功的情况，也可探究动能定理. (3)让小球从斜面上某高处滚下，然后做平抛运动等. [典例3] (2017·山东济南质检)某学习小组利用气垫导轨装置来探究“做功与物体动能改变的关系”，如图所示为实验装置示意图.利用气垫导轨上的光电门可测出滑块上的细窄挡光片经过时的挡光时间.

重力加速度为g，气垫导轨水平放置，不计滑轮和导轨摩擦.实验步骤如下：

A.测出挡光片的宽度为d，滑块与挡光片的质量为M；

B.轻细线的一端固定在滑块上，另一端绕过定滑轮挂上一砝码盘，盘和砝码的总质量为m(m≪M)，细绳与导轨平行；

C.让滑块静止放在导轨左侧的某一位置，测出挡光片到光电门的距离为x；

D.释放滑块，测出挡光片经过光电门的挡光时间为Δt；

E.改变砝码的质量，保证滑块每次都在同一位置由静止释放，光电门可测得对应的挡光时间. (1)滑块经过光电门时速度的计算式v＝

.(用题目中所给的字母来表达) (2)细线的拉力做功的表达式为W＝

，滑块的动能改变的表达式为Ek＝

.(用题目中所给的字母来表示) 1(3)我们可以通过测得的多组数据来建立2­m的关系图象来进行更准确的实验验证，Δt则下图中哪一项更符合真实的实验情况

.

[解析] (1)根据极短时间内的平均速度等于瞬时速度的大小，可知滑块经过光电门时速度的大小是v＝. Δt(2)由题意可知，细线的拉力做的功等于盘和砝码对应重力做的功mgx；滑块的动能改d

121d2变表达式为Ek＝Mv＝M. 22Δt1d212gx1(3)由动能定理得mgx＝M，所以2＝2m，2与m成正比.盘和砝码的总质2ΔtΔtdMΔt量m增加，不能远小于小车的质量时，直线在末端发生弯曲，则此结果对应于图丙. d1d2[答案] (1)

(2)mgx

M

(3)丙

Δt2Δt[典例4] 某同学利用如图所示的装置探究功与速度变化的关系.

①小物块在1条橡皮筋的作用下弹出，沿水平桌面滑行，之后平抛落至水平地面上，落点记为M1；

②在钉子上分别套上2条、3条、4条、…同样的橡皮筋，使每次橡皮筋拉伸的长度都保持一致，重复步骤①，小物块落点分别记为M2、M3、M4、…；

③测量相关数据，进行数据处理. (1)为求出小物块抛出时的动能，需要测量下列物理量中的

(填正确答案标号). A.小物块的质量m

B.橡皮筋的原长x

C.橡皮筋的拉长量Δx

D.桌面到地面的高度h

E.小物块抛出点到落地点的水平距离L

(2)将几次实验中橡皮筋对小物块做的功分别记为W1、W2、W3、…，小物体抛出点到落地点的水平距离分别记为L1、L2、L3、….若功与速度的二次方成正比，则应以W为纵坐标、

为横坐标作图，才能得到一条直线. (3)由于小物块与桌面之间的摩擦不能忽略，则由此引起的误差属于

(填“偶然误差”或“系统误差”).

[解析] (1)根据动能的定义Ek＝mv22可知，要求出Ek，需要测量m、v.而小物块离开桌12面做平抛运动，有h＝gt，L＝vt，得v＝L2A、D、E正确. g，因此，只要测出L、h，就可知v，选项2h

(2)因v＝Lg222，所以若W∝v，则W∝L(g、h为常量)，应以L为横坐标. 2h(3)小物块与桌面之间的摩擦不可避免，属于系统误差. [答案] (1)ADE (2)L

(3)系统误差

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