探究外力做功与物体动能变化的关系

探究动能定律的实验实验方法一： 用验证牛顿第二定律的实验装置来探究动能定理1.实验目的：探究外力做功与物体动能变化的定量关系2.实验原理：（1）实验装置如图所示，在砝码和砝码盘的质量远小于小车质量时，可认为细绳的拉力就是砝码及砝码盘的重力（F 绳=G 砝码及砝码盘）。

（2）平衡长木板的摩擦力。

（3）在砝码盘中加放砝码并释放砝码盘，木块将在砝码盘对它的拉力作用下做匀加速运动．在纸带记录的物体运动的匀加速阶段，适当间隔地取两个点A 、B.只要取计算一小段位移的平均速度即可确定A 、B 两点各自的速度v A 、v B ，在这段过程中物体运动的距离s 可通过运动纸带测出，我们可即算出合外力做的功W 合=F 绳S AB （F 绳=G 砝码及砝码盘）。

另一方面，此过程中物体动能的变化量为 ，通过比较W 和ΔEk 的值，就可以找出两者之间的关系。

3. 实验器材：长木板(一端带滑轮)、刻度尺、打点计时器、纸带、导线、电源、小车、细线、砝码盘、砝码、天平． 4.实验步骤及数据处理(1)用天平测出木块的质量M ，及砝码、砝码盘的总质量m 。

把器材按图装置好．纸带一段固定在小车上，另一端穿过打点计时器的限位孔；(2)把木块靠近打点计时器，用手按住．先接通打点计时器电源，再释放木块，让它做加速运动．当小车到达定滑轮处(或静止)时，断开电源；（3）取下纸带，重复实验，得到多条纸带；(4)选取其中点迹清晰的纸带进行数据处理，先在纸带标明计数点，然后取间隔适当的两点A 、B 。

利用刻度尺测量得出A ，B 两点间的距离S AB ；再利用平均速度公式求A 、B 两点的速度v A 、v B ；(4)通过实验数据，分别求出W 合与ΔE kAB ，通过比较W 和ΔEk 的值，就可以找出两者之间的关系。

5.误差分析1．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。

2．利用打点的纸带测量位移，和计算木块的速度时，不准确也会带来误差。

实验：研究合外力做功和物体动能变化的关系阅读教材第69页“研究合外力做功和动能变化的关系”部分，知道此实验的原理、器材、步骤、数据处理、注意事项。

一、实验原理由重物通过滑轮牵引小车，当小车的质量比重物大得多时，可以把重物所受的重力 当作小车受到的牵引力。

如图1所示。

图1测量重物的质量(对应小车受到的牵引力)，小车运动的距离 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。

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、低压交流 电源。

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．把细绳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，小车在细绳的拉力作用下做匀加速运动。

3．先接通电源 ，再放开小车 (填“放开小车”或“接通电源”)，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，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v n ＝x n ＋x n ＋12T 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v 2、12m v 2和相应的合外力做功W 的数值并填入下表。

数据编号物理量123456速度v 2/(m 2·s －2) 动能12m v 2/J合外力做功W /J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。

动能定理物体的动能与力的做功动能定理：物体的动能与力的做功动能定理是物理学中的基本定理之一，它描述了物体的动能与力的做功之间的关系。

在本文中，我们将探讨动能定理的定义、原理以及应用。

一、动能定理的定义动能定理是指在外力作用下，物体的动能的变化量等于力的做功。

简而言之，物体的动能增加或减少的大小，正好等于作用于物体的力所作的功。

二、动能定理的原理物体的动能可以通过它的质量和速度来定义，即动能 = 1/2 ×质量 ×速度的平方。

力的功可以用力的大小、物体的位移和力与位移之间的夹角来定义，即做功 = 力 ×位移× cosθ。

根据动能定理，在外力作用下，物体的动能的变化量等于力的做功。

表示为：物体的动能的增量 = 力的做功。

三、动能定理的应用1. 物体的动能和速度关系：根据动能定理，物体的动能正比于其速度的平方。

当速度增加时，动能增加；当速度减小时，动能减小。

2. 动能与重力势能的转换：在重力场中，当物体从较高位置下降到较低位置时，重力对物体做功，并将其势能转化为动能。

反之，当物体由较低位置上升到较高位置时，动能将转化为重力势能。

3. 动能与弹性势能的转换：在弹性体系中，物体由于受到压缩或伸展而具有弹性势能。

当物体释放出弹性势能时，它将转化为动能。

4. 动能定理的应用于机械工作：在机械运动中，动能定理可应用于机器的工作原理和能量转换的分析。

比如，在运输系统中，我们可以通过应用动能定理来计算物体在传送过程中所需的能量和功率。

总结：动能定理是物体的动能与力的做功之间的关系。

它可以帮助我们理解物体运动时的能量转化过程，并应用于各种实际情况的分析和计算。

通过深入研究动能定理，我们可以更好地理解物体运动的本质和力学规律。

动能定理物体动能与功的关系动能定理是物理学中一个重要的定理，它描述了物体的动能与所受的做功之间的关系。

本文将详细介绍动能定理，并探讨物体动能与功之间的关系。

一、动能定理的定义和表达式动能定理是描述物体动能变化的定理。

它可以表达为：物体的动能变化等于物体所受的净外力所做的功。

动能定理的数学表达式为：物体的动能的变化量等于物体所受的净外力所做的功的总和。

数学表达式为：ΔKE = W_net其中，ΔKE表示物体动能的变化量，W_net表示物体所受的净外力所做的功的总和。

二、物体动能与功的关系根据动能定理，物体的动能的变化量等于物体所受的净外力所做的功的总和。

这意味着，当一个物体所受的净外力做功时，它的动能会发生变化。

1. 净外力与功的关系在动能定理中，功是由物体所受的净外力所做的。

净外力是指物体所受的所有作用力的矢量和。

功可以由净外力的大小和方向以及物体位移的大小和方向来计算。

2. 功对动能的影响根据动能定理，物体的动能的变化量等于物体所受的净外力所做的功的总和。

如果物体所受的净外力所做的功为正值，那么物体的动能将增加；如果功为负值，物体的动能将减小；如果功为零值，物体的动能将保持不变。

3. 动能与功的关系示例例如，当一个人用力推动一辆静止的小车，小车受到的作用力将进行功，将其推动到一定的位移。

这时，小车的动能将增加，同时也可以通过功的大小来计算增加的动能。

另一个示例是，当一个物体从高处自由下落时，在下落过程中，重力对物体进行功，使其动能增加。

这也可以通过功的大小来计算物体的动能增加量。

三、总结动能定理是描述物体动能与所受的净外力所做的功之间的关系的定理。

根据动能定理，物体的动能的变化量等于物体所受的净外力所做的功的总和。

净外力的大小和方向以及物体位移的大小和方向都会影响功的大小，进而影响物体动能的变化。

在实际问题中，我们可以利用动能定理来分析物体的运动情况和动能的变化。

通过计算功的大小和方向，我们可以了解物体动能的增加或减少，从而加深对动能和功之间关系的理解。

实验五研究合外力做功和动能变化的关系考纲解读 1.通过实验探究力对物体做功与物体动能变化的关系.2.通过分析论证和实验探究的过程，培养实验探究能力和创新精神．考点一 对实验原理及误差分析的考查例1 科学规律的发现离不开科学探究，而科学探究可以分为理论探究和实验探究．下面我们追寻科学家的研究足迹用实验方法探究恒力做功和物体动能变化的关系．图1(1)某同学的实验方案如图1甲所示，他想用钩码的重力表示小车受到的合外力，为了减小这种做法带来的实验误差，你认为在实验中还应该采取的两项措施是：①________________________________________________________________________；②________________________________________________________________________.(2)如图乙所示是某次实验中得到的一条纸带，其中A、B、C、D、E、F是计数点，相邻计数点间的时间间隔为T，距离如图乙所示，则打C点时小车的速度为________；要验证合外力做的功和小车动能变化的关系，除位移、速度外、还要测出的物理量有________________．答案(1)①平衡摩擦力②使钩码的重力远小于小车的重力(2)Δx2＋Δx32T钩码的重力和小车的质量考点二对实验步骤和实验数据处理的考查例2某探究学习小组的同学欲探究“合外力做功与物体动能变化的关系”，他们在实验室组装了一套如图2所示的装置，另外他们还找到打点计时器以及学生电源、天平、刻度尺、细线、复写纸、纸带、小桶和砂子若干．并将小车连接上纸带，用细线通过滑轮挂上小砂桶．图2(1)某同学的实验步骤如下：用天平称量小车的质量M和砂与小桶的总质量m.让砂与小桶带动小车加速运动，用打点计时器记录其运动情况，在打点计时器打出的纸带上取两点，测出这两点的间距为L，算出打这两点的速度v1与v2.①本实验装置图(准备放开小车时刻)中有什么缺点或错误？②要完成本实验，还缺哪些重要实验步骤？③本实验认为小车所受合外力等于砂与小桶的总重力，则应控制的实验条件是什么？(2)在实验操作正确的前提下，若挑选的一条点迹清晰的纸带如图3所示，已知相邻两个点间的时间间隔为T ，从A 点到B 、C 、D 、E 、F 点的距离依次为x 1、x 2、x 3、x 4、x 5，则由此可求得纸带上由B 点到E 点所对应的过程中，合外力对小车所做的功W ＝________；该小车动能改变量的表达式为ΔE k ＝________(结果用题中已知物理量的符号表示)；若满足________________，则动能定理得证．图3解析 本题考查探究“恒力做功与物体动能变化的关系”的实验，意在考查学生对该实验的理解．(1)由实验过程以及实验装置图可知，实验装置图中细线与轨道平面应平行；初始时刻，小车应紧靠打点计时器；所缺步骤为：调节轨道的倾斜程度，使小车在无拉力时能在轨道上匀速运动(或平衡摩擦力)；(2)由做功及动能变化量可知，W ＝mg (x 4－x 1)，ΔE k ＝12M [(x 5－x 32T )2－(x 22T )2]，只要满足W ≈ΔE k ，则动能定理得证．答案 (1)①细线与轨道平面应平行；初始时刻，小车应紧靠打点计时器 ②调节轨道的倾斜程度，使小车在无拉力时能在轨道上匀速运动(或平衡摩擦力) ③M ≫m (2)mg (x 4－x 1) 12M [(x 5－x 32T )2－(x 22T )2]或M8T2[(x 5－x 3)2－x 22] W ≈ΔE k 创新实验设计1．本实验中虽然不需计算出橡皮筋每次做功的具体数值，但需计算出每次小车获得的速度，由于距离的测量存在一定误差，使得速度的大小不准确，在此可以安装速度传感器进行实验．2．本实验也可用钩码牵引小车完成，在小车上安装拉力传感器测出拉力的大小，再测出位移的大小，进而确定力做功的多少．例3 某实验小组利用拉力传感器和速度传感器研究“合外力做功与物体动能变化的关系”．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50.0 cm 的A 、B 两点(A 、B 两点图中未标出)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：①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．②将小车停在桌面右端靠近打点计时器处，__________，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．③在小车中增加砝码，或____________，重复②的操作．(2)表格中是他们测得的几组数据，其中M是M1与小车中砝码质量之和，|v22－v21| 是两个速度传感器记录速度的平方差，可以据此计算出动能变化量ΔE，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ΔE3＝______，W3＝__________.(结果保留三位有效数字)数据记录表(3)图5解析(1)①在实验过程中拉力对小车、砝码和传感器做功使小车、砝码和传感器的动能增加，所以需要测量小车、砝码和拉力传感器的总质量；②通过控制变量法只改变小车的质量或只改变拉力的大小得出不同的数据．(2)通过拉力传感器的示数和AB的长度l，用W＝Fl可计算拉力做的功．(3)利用图像法处理数据，由动能定理W＝12m(v22－v21)可知W与ΔE成正比，作图可用描点法．答案(1)①小车、砝码②接通电源，释放小车③减少钩码(2)0.6000.610(3)如图所示1．在“探究合外力做功和动能变化的关系”的实验中，根据实验数据作出了如图所示的W—v 图像，下列符合实际的是()答案 B解析根据实验探究知道W∝v2，故W—v图像应是开口向上的抛物线的一部分，故B对，A、C、D错．2．某同学用如图6所示的实验装置探究小车动能变化与合外力对它做功的关系．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，A，B均置于足够长的水平木板上，木板一端带有定滑轮，定滑轮上挂重物P，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．图6图7(1)弹簧测力计的读数为________ N.(2)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K点，再顺次选取6个点，分别记为0、1、2、3、4、5点，先测量0点到K点的距离x0，之后测量另5个点到0点的距离x.求出6个点对应的速度大小，计算出1、2、3、4、5点与0点之间的速度平方差Δv2＝v2－v20，然后在坐标纸中建立Δv2－x坐标系，并根据测得的数据进行如图7所示的描点．根据图像，小车的加速度大小是________ m/s2，若测出小车质量为0.6 kg，结合图像可求得小车所受合外力的大小为________ N．(结果小数点后保留两位数字)(3)该同学通过计算发现测力计读数大于小车所受合外力，要让弹簧测力计的读数等于小车所受合外力，应该采取的措施是________．(填选项序号)A．增大重物P质量、使P质量远大于小车A质量B．增大小车A质量，使A质量远大于小车P质量C．适当抬高木板右端，平衡摩擦力D．适当抬当木板左端，平衡摩擦力答案(1)2.50 N(2)1.250.75(3)D3．如图8所示是某研究性学习小组做探究“橡皮筋做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.当我们把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点的纸带测出．图8(1)除了图中已给出的实验器材外，还需要的器材有____________________；(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______________________； (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________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；n n n 据表中测定的数据在如图9所示的坐标系中作出相应的图像验证理论的正确性．图9(6)若在实验中你作出的图线与理论的推测不完全一致，你处理这种情况的做法是______________________________．答案 (1)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)v 2n 图像见解析图 (6)分析误差来源，改进实验方案或测量手段，重新进行实验解析 (1)计算小车速度需要测量纸带上的点的距离，要用刻度尺． (2)要让小车在木板上匀速运动，因而木板要倾斜以平衡摩擦力．(3)小车匀速运动时，纸带上的点的间隔均匀．(4)橡皮筋每增加一条，对小车做的功就增加W.(5)纵坐标表示速度的平方，横坐标表示功，利用描点法描出各组数据对应的点，然后用平滑曲线连线作出v2n－W n图像，如图所示．(6)分析误差来源，改进实验方案或测量手段，重新进行实验．4．(2013·四川理综·8(2))如图10所示，某组同学借用“探究a与F、m之间的定量关系”的相关实验思想、原理及操作，进行“研究合外力做功和动能变化的关系”的实验：图10①为达到平衡阻力的目的，取下细绳及托盘，通过调整垫片的位置，改变长木板倾斜程度，根据打出的纸带判断小车是否做________运动．②连接细绳及托盘，放入砝码，通过实验得到图11所示的纸带．纸带上O为小车运动起始时刻所打的点，选取时间间隔为0.1 s的相邻计数点A、B、C、D、E、F、G.实验时小车所受拉力为0.2 N，小车的质量为0.2 kg.图11请计算小车所受合外力做的功W和小车动能的变化ΔE k，补填表中空格(结果保留至小数点后第四位).k③实验前已测得托盘质量为7.7×10－3kg，实验时该组同学放入托盘中的砝码质量应为________kg(g取9.8 m/s2，结果保留至小数点后第三位)．答案①匀速直线(或匀速)②0.111 50.110 5③0.015解析①取下细绳与托盘后，当摩擦力恰好被平衡时，小车与纸带所受合力为零，获得初速度后应做匀速直线运动．②由题图可知OF ＝55.75 cm ，再结合v t2＝v 可得打下计数点F 时的瞬时速度v F ＝OG －OE2T＝1.051 m/s 2，故W ＝F ·OF ＝0.111 5 J ，ΔE k ＝12M v 2F≈0.110 5 J.③根据牛顿第二定律有：对小车F ＝Ma ，得a ＝1.0 m/s 2；对托盘及砝码(m ＋m 0)g －F ＝(m ＋m 0)a ，故有m ＝F g －a －m 0＝0.29.8－1.0kg －7.7×10－3 kg ＝0.015 kg5．为了“探究动能改变与合外力做功”的关系，某同学设计了如下实验方案：第一步：把带有定滑轮的木板有滑轮的一端垫起，把质量为M 的滑块通过细绳与质量为m 的带夹重锤跨过定滑轮相连，重锤夹后连一穿过打点计时器的纸带，调整木板倾角，直到轻推滑块后，滑块沿木板向下匀速运动，如图12甲所示．第二步：保持长木板的倾角不变，将打点计时器安装在长木板靠近滑轮处，取下细绳和重锤，将滑块与纸带相连，使纸带穿过打点计时器，然后接通电源，释放滑块，使之从静止开始向下加速运动，打出纸带，如图乙所示．打出的纸带如图丙所示．图12请回答下列问题：(1)已知O 、A 、B 、C 、D 、E 、F 相邻计数点间的时间间隔为Δt ，根据纸带求滑块速度，打点计时器打B 点时滑块速度v B ＝________.(2)已知重锤质量为m ，当地的重力加速度为g ，要测出某一过程合外力对滑块做的功还必须测出这一过程滑块______(写出物理名称及符号，只写一个物理量)，合外力对滑块做功的表达式W 合＝________.(3)算出滑块运动OA 、OB 、OC 、OD 、OE 段合外力对滑块所做的功W 以及在A 、B 、C 、D 、E 各点的速度v ，以v 2为纵轴、W 为横轴建立直角坐标系，描点作出v 2－W 图像，可知该图像是一条________，根据图像还可求得________．答案 (1)x 3－x 12Δt (2)下滑的位移x mgx (3)过原点的直线 滑块的质量M解析 本题考查动能改变与合外力做功的关系，意在考查学生对该实验的理解．(1)由打出的纸带可知B 点的速度为v B ＝x 3－x 12Δt；(2)由做功定义式可知还需要知道滑块下滑的位移，由动能定理可知W 合＝ΔE k ，即mgx ＝ΔE k ；(3)v 2－W 图像应该为一条过原点的直线．。