2020高考物理大一轮复习实验五探究动能定理学案无答案新人教版20190315292
(人教版)高三物理第一轮复习学案5-5实验探究动能定理
第五课时实验：探究功与物体速度变化的关系验证机械能守恒定律考点剖析一、探究功与物体速度变化的关系【实验目的】1．通过实验，探究功与物体速度变化的关系．2．了解探究功与物体速度变化关系的思路．3．学习利用图象法处理实验数据．【实验原理】如图所示,小车在橡皮筋的作用下弹出，沿木板滑行,当我们用2条、3条……同样的橡皮筋进行第2次、第3次……实验时,每次实验中橡皮筋拉伸的长度都保持一致，那么第2次、第3次……实验中橡皮筋对小车做的功就是第1次的2倍、3倍……如果把第1次实验时橡皮筋的功记为W，以后各次的功就是2W、3W。
……由于橡皮筋做功而使小车获得的速度可以由打点计时器打出的纸带测出，这样进行若干次测量，就得到若干组功和速度的数据．【实验步骤】1．按上图组装好实验仪器,由于小车在运动中会受到阻力，把木板略微倾斜,作为补偿．2。
先用一条橡皮筋进行实验,把橡皮筋拉伸一定长度，理清纸带,接通电源,放开小车．3。
换用纸带，改用2条、3条……同样的橡皮筋进行第2次、第3次··…实验，每次实验中橡皮筋拉伸的长度都相同．4。
由纸带算出小车获得的速度，把各次实验获得的速度依次记人设计的表格中．5.对观测数据进行估计,大致判断两个量可能的关系，然后以W为纵坐标，以护（或。
、v3、石）为横坐标作图．【实验数据处理】在处理数据的时候,如果作出的功—速度曲线是一条直线，表明橡皮筋做的功与小车获得的速度的关系是正比例关系，即W—v；如果不是直线，就需要根据测得的速度分别按v2、v3、……算出相应的功的值,实际测得的速度与哪一种最接近,它们之间就是哪一种关系．二、验证机械能守恒定律【实验目的】1．进一步明确机械能的确切含义．2．验证机械能守恒定律【实验原理】只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能可以互相转化,但总的机械能守恒,利用打点计时器在纸带上记录下物体自由下落的高度h及计算出的瞬时速度v，从而验证物体在自由下落过程中，重力势能的减少量△P= mgh与物体动能的增加量△Ek=mv2/2相等思考1：实脸中为什么不必用天平测童重锤的质量?思考2：实验时不慎将一条选择好的纸带的前面一部分损坏了，能否用来验证机械能守恒定律？【实验步骤】1．把打点计时器按图安装在铁架台上，用导线将打点计时器与学生电源连接好．2．把纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔,用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器附近．3．先接通电源，待计时器打点稳定后再松开纸带，让重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点．4．取下纸带，换上新的纸带重打几条（3—5条）．5．从打出的各纸带中挑出一条点迹清晰且第1，2两打点间距离接近2 mm的纸带，在第一个打点上标出O,并从稍靠后的某一点开始，依次标出1,2,3,……并量出各点到位置O的距离h1 ,h2 ,h3，……并记人表格中，6．用公式v n=v中计算出各点对应的瞬时速度v1, v2，v3 , v4……，并记录在表格中．7．计算打各点时重力势能的减少量mgh和动能的增加量喜mv2/2并进行比较，看是否相等，将计算数值代人表格中．重点突破知识点一探究功与物体速度变化关系注意事项1．木板要略微倾斜，以平衡摩擦力（即摩擦力与重力的下滑分力力平衡）.2．实验中使用的橡皮筋应该是完全相同的橡皮筋．3．实验时使用不同条数的橡皮条时，小车应拉到同一位置由静止释放。
【物理】2019届一轮复习人教版实验 探究动能定理学案
实验五探究动能定理[学生用书P97]一、实验目的通过实验探究外力对物体做功与物体速度的关系．二、实验原理探究功与速度变化的关系，可用如实验原理图所示的装置进行实验，通过增加橡皮筋的条数使橡皮筋对小车做的功成倍增加，再通过打点计时器和纸带来测量每次实验后小车的末速度v，最后通过数据分析得出速度变化与功的关系．三、实验器材橡皮筋、小车、木板、打点计时器、纸带、铁钉等．四、实验步骤1．垫高木板的一端，平衡摩擦力．2．拉伸的橡皮筋对小车做功：(1)用一条橡皮筋拉小车——做功W；(2)用两条橡皮筋拉小车——做功2W；(3)用三条橡皮筋拉小车——做功3W.3．测出每次做功后小车获得的速度v.4．分别用各次实验测得的v和W绘制W－v或W－v2、W－v3…图象，直到明确得出W和v的关系．五、实验结论物体速度v与外力做功W间的关系为W∝v2.对实验原理和操作的考查[学生用书P97] 1．平衡摩擦力的方法是轻推小车，由打在纸带上的点是否均匀判断小车是否匀速运动．2．测小车速度时，应选纸带上点均匀分布的部分．3．橡皮筋应选规格一样的．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．4．小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些．【典题例析】(高考天津卷)某同学把附有滑轮的长木板平放在实验桌上，将细绳一端拴在小车上，另一端绕过定滑轮，挂上适当的钩码，使小车在钩码的牵引下运动，以此定量探究绳拉力做功与小车动能变化的关系．此外还准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸、纸带、小木块等．组装的实验装置如图所示．(1)若要完成该实验，必需的实验器材还有哪些________________．(2)实验开始时，他先调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的细绳与木板平行．他这样做的目的是下列的哪个________(填字母代号)．A．避免小车在运动过程中发生抖动B．可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰C．可以保证小车最终能够实现匀速直线运动D．可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力(3)平衡摩擦力后，当他用多个钩码牵引小车时，发现小车运动过快，致使打出的纸带上点数较少，难以选到合适的点计算小车速度．在保证所挂钩码数目不变的条件下，请你利用本实验的器材提出一个解决方法：________________________________________________________________________.(4)他将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功，经多次实验发现拉力做功总是要比小车动能增量大一些．这一情况可能是下列哪些原因造成的________(填字母代号)．A．在接通电源的同时释放了小车B．小车释放时离打点计时器太近C．阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平衡掉D．钩码做匀加速运动，钩码重力大于细绳拉力[解析] (1)实验要处理纸带测速度，需要刻度尺，要分析动能的变化，必须要测出小车的质量，因此还需要天平．(2)实验中调节定滑轮高度，使细绳与木板平行，可在平衡摩擦力后使细绳的拉力等于小车所受的合力，如果不平行，细绳的拉力在垂直于木板的方向上就有分力，改变了摩擦力就不能使细绳拉力等于小车所受的合力，D正确．(3)在所挂钩码个数不变的情况下，要减小小车运动的加速度，可以增大小车的质量，即可在小车上加适量的砝码(或钩码)．(4)如果用钩码重力做的功当作细绳拉力做的功，发现拉力做的功总比小车动能的增量大，原因可能是阻力未被完全平衡掉，因此拉力做功一部分用来增大小车动能，一部分用来克服阻力做功；也可能是小车做加速运动，因此细绳的拉力小于钩码的重力，钩码的重力做的功大于细绳的拉力做的功，即大于小车动能的增量，C 、D 项正确．[答案] (1)刻度尺、天平(包括砝码) (2)D(3)可在小车上加适量的砝码(或钩码) (4)CD1.某同学用如图甲所示装置做“探究合力的功与动能改变量的关系”的实验，他通过成倍增加位移的方法来进行验证．方法如下：将光电门固定在水平轨道上的B 点，用重物通过细线拉小车，保持小车(带遮光条)和重物的质量不变，通过改变小车释放点到光电门的距离进行多次实验，每次实验时要求小车都由静止释放．(1)用游标卡尺测出遮光条的宽度d ，示数如图乙所示，则d ＝________cm .(2)如果每次实验时遮光条通过光电门的时间为t ，小车到光电门的距离为s ，通过描点作出线性图象来反映合力的功与动能改变量的关系，则所作图象关系是________时才能符合实验要求．A ．s －tB ．s －t 2C ．s －t －1D ．s －t －2 (3)下列实验操作中必要的是________．A ．调整轨道的倾角，在未挂重物时使小车能在轨道上匀速运动B ．必须满足重物的质量远小于小车的质量C ．必须保证小车由静止状态开始释放解析：(1)由游标卡尺读数规则可知，示数为：10 mm ＋0.05×15 mm ＝1.075 cm .(2)由题意可知，该同学是通过成倍改变位移来改变做功的，设小车所受的合力为F ，对小车，有Fs ＝12m ⎝⎛⎭⎫d t 2，即有s ∝1t 2，则D 正确． (3)由(2)可知，公式中的F 是指小车所受到的合力，而且在整个实验过程中保持不变，所以在该实验中不需要平衡摩擦力；同理可知，重物与小车质量的大小关系也不会对实验结果产生影响；若小车释放速度不为0，则会对实验结果产生影响，选项C正确．答案：(1)1.075 (2)D (3)C对实验数据处理和误差分析的考查[学生用书P98] 1．数据处理(1)求小车的速度：利用纸带上点迹均匀的一段测出两点间的距离x，则v＝xT(其中T为打点周期)．(2)实验数据处理：在坐标纸上画出W－v和W－v2图象(“W”以一根橡皮筋做的功为单位)．根据图象得出W∝v2.2．误差分析(1)误差的主要是橡皮筋的长度、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，测量不准带来的误差．【典题例析】(2017·高考北京卷)如图1所示，用质量为m的重物通过滑轮牵引小车，使它在长木板上运动，打点计时器在纸带上记录小车的运动情况．利用该装置可以完成“探究动能定理”的实验．(1)打点计时器使用的电源是__________(选填选项前的字母)．A．直流电源B．交流电源(2)实验中，需要平衡摩擦力和其他阻力．正确操作方法是________(选填选项前的字母)．A．把长木板右端垫高B．改变小车的质量在不挂重物且________(选填选项前的字母)的情况下，轻推一下小车．若小车拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响．A．计时器不打点B．计时器打点(3)接通电源，释放小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，将打下的第一个点标为O.在纸带上依次取A、B、C……若干个计数点，已知相邻计数点间的时间间隔为T.测得A、B、C……各点到O点的距离为x1、x2、x3……，如图2所示．实验中，重物质量远小于小车质量，可认为小车所受的拉力大小为mg .从打O 点到打B 点的过程中，拉力对小车做的功W ＝______________，打B 点时小车的速度v ＝________．(4)以v 2为纵坐标，W 为横坐标，利用实验数据做出如图3所示的v 2－W 图象．由此图象可得v 2随W 变化的表达式为__________________．根据功与能的关系，动能的表达式中可能包含v 2这个因子；分析实验结果的单位关系，与图线斜率有关的物理量应是________________．(5)假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响，若重物质量不满足远小于小车质量的条件，则从理论上分析，图4中正确反映v 2－W 关系的是______________．[解析] (1)打点计时器使用的电源是交流电源，故选B .(2)实验中，平衡摩擦力和其他阻力时，应先不挂重物，把长木板右端适当垫高，在小车后面挂上纸带，接通电源，在打点计时器打点的情况下，轻推一下小车，给小车一个初速度，若小车拖着纸带做匀速运动，则表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响．(3)实验中，可认为小车所受的拉力F 大小为mg ，从打O 点到打B 点的过程中，拉力对小车做的功W ＝Fx 2＝mgx 2.在匀变速直线运动中，中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度，故v B ＝x AC 2T ＝x 3－x 12T. (4)由题图3可知，v 2＝kW ，斜率k ＝v 2W ，其单位为m 2·s －2·J －1.又1 J ＝1 N·m ，1 N ＝1 kg·m·s －2，故1 J ＝1 kg·m 2·s －2，故J －1＝kg －1·m －2·s 2，因此斜率k ＝v 2W 的单位为1kg ，故与图线斜率有关的物理量应是质量．(5)假设完全消除了摩擦力和其他阻力的影响，对由小车和重物组成的系统，其动能增加量为ΔE k ＝（m ＋M ）v 22，考虑到我们按重力做功W ＝mgx ，有ΔE k ＝（M ＋m ）v 22＝W ，即v 2＝2M ＋m W ，故v 2－W 的图象斜率k ＝2M ＋m，保持不变，故选项A 正确． [答案] (1)B (2)A B (3)mgx 2 x 3－x 12T(4)v 2＝kW ，k ＝(4.5～5.0) m 2·s －2·J －1 质量 (5)A 2.某同学用图甲所示装置进行“探究恒力做功与动能改变的关系”实验．平衡摩擦力后，通过实验得到图乙所示的纸带．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 .实验时小车的质量为0.390 kg ，小车受到细绳的拉力为0.40 N ．回答下列问题：(计算结果保留3位有效数字)(1)小车从O 到E ，合力做的功W ＝______J ；动能变化量ΔE k ＝______J .(2)实验中该同学发现W 略大于ΔE k ，其主要原因是__________________________(写出一条即可)．解析：(1)合力做的功W ＝Fx OE ＝0.4×46.9×10－2 J ≈0.188 J动能的变化量ΔE k ＝12m v 2E －0 ＝12×0.390×⎣⎢⎡⎦⎥⎤（57.00－37.80）2×0.1×10－22 J －0≈0.180 J ． (2)虽然平衡了摩擦力，但是每次运动中空气或纸带的阻力做负功，所以W 略大于ΔE k . 答案：(1)0.188 0.180(2)小车受到空气阻力的作用(纸带阻力等)创新实验[学生用书P99]1．实验器材及装置的改进2．数据测量的改进由光电门算速度v＝dΔt，速度传感器直接测量速度大小――→替代测量纸带上各点速度．3．实验方案的改进利用自由落体运动探究功和动能变化的关系．4．实验目的创新测量接触面间的动摩擦因数等．【典题例析】光电计时器是研究物体运动情况时常用的一种计时仪器，其结构如图甲所示，a、b分别是光电门的激光发射和接收装置，当有物体从a、b间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间，如图乙所示，气垫导轨是常用的一种实验仪器，它利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫，使滑块悬浮在导轨上，滑块与导轨间可视为没有摩擦．某实验小组利用如图乙所示的实验装置来探究“做功与物体动能改变量的关系”，实验前要调整气垫导轨底座水平，用游标卡尺测得遮光条的宽度为d，实验时滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Δt，当地重力加速度为g.(1)如图丙所示，某同学用游标卡尺测得遮光条的宽度d＝________cm.用天平测得滑块与遮光条的总质量为M、钩码的质量为m.(2)实验前需要调整气垫导轨底座使之水平，实验时将滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门所用时间为Δt ＝1.2×10－2 s ，则滑块经过光电门时的瞬时速度为(用游标卡尺的测量结果计算)________m/s .(3)在本次实验中为了确保细线拉力所做的功与钩码重力做的功近似相等，则滑块与遮光条的总质量M 、钩码的质量m 间应满足________；本实验中还需要测量的物理量是________________________________________________________________________________________________________________________________________________(用文字说明并用相应的字母表示)．(4)本实验中可通过改变钩码的质量测得多组数据并建立1（Δt ）2－m 关系图来进行验证，则下列图象中符合真实实验情况的是________．[解析] (1)由游标卡尺读数规则可得遮光条的宽条d ＝5 mm ＋0.05 mm ×8＝0.540 cm .(2)滑块经过光电门时的瞬时速度为v ＝d Δt ＝0.540×10－21.2×10－2m/s ＝0.45 m/s . (3)令细线拉力为T ，则有T ＝Ma 及mg －T ＝ma ，T ＝M M ＋m mg ＝mg 1＋m M ，所以只有满足M ≫m 时，细线拉力所做的功与钩码重力做的功才近似相等，细线拉力做的功为W ＝mgs ，即需要测定滑块上的遮光条初位置到光电门的距离s .(4)由运动学规律知v 2＝2as ，由牛顿第二定律知mg ＝Ma ，v ＝d Δt ，联立得1（Δt ）2＝2gs Md2m ，即刚开始时图象为过原点的倾斜直线，但当钩码的质量不再远小于滑块与遮光条的总质量时，直线末端发生弯曲，分析可知选项C 符合．[答案] (1)0.540 (2)0.45(3)M ≫m 滑块上的遮光条初位置到光电门的距离s(4)C3.(2018·重庆一中月考)用如图甲所示装置来探究功和动能变化的关系．木板上固定两个完全相同的遮光条A 、B ，用不可伸长的细线将木板通过两个滑轮与弹簧测力计C 相连，木板放在安装有定滑轮和光电门的轨道D 上，轨道放在水平桌面上，P 为小桶(内有沙子)，滑轮质量、摩擦不计，重力加速度为g .(1)实验中轨道应倾斜一定角度，这样做目的是________．A ．为了使释放木板后，木板能匀加速下滑B ．为了增大木板下滑的加速度C ．可使得细线拉力做的功等于合力对木板做的功D ．可使得木板在未施加拉力时能匀速下滑(2)用游标卡尺测量遮光条的宽度，如图乙所示，则遮光条的宽度d ＝________ cm .(3)实验主要步骤如下：①测量木板、遮光条的总质量M ，测量两遮光条的距离L ；按甲图正确连接器材． ②将木板左端与轨道左端对齐，静止释放木板，木板在细线拉动下运动，记录弹簧测力计示数F 及遮光条B 、A 先后经过光电门的时间为t 1、t 2，则遮光条B 、A 通过光电门的过程中木板动能的变化量ΔE k ＝________．合外力对木板做功W ＝________．(用字母M 、t 1、t 2、d 、L 、F 表示)③在小桶中增加沙子，重复②的操作．④比较W 、ΔE k 的大小，得出实验结论．(4)若在本实验中轨道水平放置，其他条件和实验步骤不变，假设木板与轨道之间的动摩擦因数为μ，测得多组F 、t 1、t 2的数据，并得到F 与1t 22－1t 21的关系图象如图丙，已知图象在纵轴上的截距为b ，直线的斜率为k ，求解μ＝________(用字母b 、d 、L 、k 、g 表示)．解析：(1)轨道略微倾斜的目的是平衡摩擦力Mg sin θ＝f ，木板就能做匀速直线运动，木板连上细绳后拉力等于其合力，细线的拉力对木板做的功等于合力对木板做的功，故C 、D 正确．(2)游标卡尺的读数先读出主尺的刻度数：1 mm ，游标尺的刻度第14个刻度与上边的刻度对齐，所以读数为：0.05×14 mm ＝0.70 mm ，总读数为：1 mm ＋0.70 mm ＝1.70 mm ＝0.170 cm .(3)遮光条B 通过光电门时的速度v B ＝d t 1，遮光条A 通过光电门时的速度v A ＝d t 2，则ΔE k ＝12M v 2A －12M v 2B ＝Md 22⎝⎛⎭⎫1t 22－1t 21.光滑的滑轮两端的细绳拉力处处相同，弹簧测力计的示数显示的是细绳的拉力F 即为木板所受的合外力，故W ＝FL .(4)当轨道水平放置时，对小车由动能定理得(F －μMg )L ＝Md 22⎝⎛⎭⎫1t 22－1t 21，解得F ＝Md 22L ⎝⎛⎭⎫1t 22－1t 21＋μMg ，结合F 与1t 22－1t 21的关系图象可知斜率Md 22L ＝k ，纵截距b ＝μMg ，联立解得μ＝b Mg ＝bd 22kgL. 答案：(1)CD (2)0.170(3)Md 22⎝⎛⎭⎫1t 22－1t 21 FL (4)bd 22kgL[学生用书P100]1．“探究动能定理”的实验装置如图甲所示，当小车在两条橡皮筋作用下弹出时，橡皮筋对小车做的功记为W 0.当用4条、6条、8条…完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、第4次…实验时，橡皮筋对小车做的功记为2W 0、3W 0、4W 0…，每次实验中由静止弹出的小车获得的最大速度可由打点计时器所打点的纸带测出．(1)关于该实验，下列说法正确的是________．A ．打点计时器可以用直流电源供电，电压为4～6 VB ．实验中使用的若干条橡皮筋的原长可以不相等C ．每次实验中应使小车从同一位置由静止弹出D ．利用每次测出的小车最大速度v m 和橡皮筋做的功W ，依次作出W －v m 、W －v 2m 、W－v 3m 、W 2－v m 、W 3－v m …的图象，得出合力做功与物体速度变化的关系(2)图乙给出了某次在正确操作情况下打出的纸带，从中截取了测量物体最大速度所用的一段纸带，测得O 点到A 、B 、C 、D 、E 各点的距离分别为OA ＝5.65 cm ，OB ＝7.12 cm ，OC ＝8.78 cm ，OD ＝10.40 cm ，OE ＝11.91 cm .已知相邻两点打点时间间隔为0.02 s ，则小车获得的最大速度v m ＝________m/s .解析：(1)电磁打点计时器使用4～6 V 交流电，A 错；实验中应选取相同的橡皮筋，B 错；小车应从同一位置由静止释放，C 对；数据分析时，应作出不同的图象探究功与速度变化的关系，D 对．(2)由所给数据知BC ＝8.78 cm －7.12 cm ＝1.66 cm ，最大速度v m ＝1.66×10－20.02m/s ＝0.83 m/s .答案：(1)CD (2)0.832．(2016·高考全国卷Ⅱ)某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图甲所示：轻弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打点计时器并与物块连接．向左推物块使弹簧压缩一段距离，由静止释放物块，通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能．(1)实验中涉及下列操作步骤： ①把纸带向左拉直 ②松手释放物块 ③接通打点计时器电源④向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量上述步骤正确的操作顺序是______________(填入代表步骤的序号)．(2)图乙中M 和L 纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打点结果．打点计时器所用交流电的频率为50 H .由M 纸带所给的数据，可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为________m/s .比较两纸带可知，________(填“M ”或“L ”)纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大．解析：(1)实验中应先向左推物块使弹簧压缩，测量弹簧的压缩量，然后把纸带向左拉直，再接通打点计时器电源，等打点稳定后，再松手释放物块，使其向右滑动，因此步骤为④①③②.(2)由于物块离开弹簧时的速度最大，因此M 纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为v ＝2.58×10－2m 0.02 s＝1.29 m/s .由于弹簧压缩量越大，弹性势能越大，因此推开物块后，弹簧弹性势能转化成物块的动能越多，物块离开弹簧后获得的速度越大，打的点间距越大，因此M纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大．答案：(1)④①③② (2)1.29 M3．某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“动能定理”．如图所示，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．(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，正确连接所需线路．②将小车停在C点，____________，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减少砝码，重复②的操作．(2)下列表格是他们测得的一组数据，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．表格中的ΔE3＝____________，W3＝__________．(结果保留三位有效数字)次数M/kg v22－v21(m2·s－2)ΔE/J F/N W/J10.5000.760.1900.4000.20020.5001.650.4130.8400.42030.5002.40ΔE31.220W341.0002.401.2002.4201.21051.0002.841.4202.8601.430(3)解析：(1)在实验过程中拉力对小车和拉力传感器做功使小车和拉力传感器的动能增加，所以需要测量小车和拉力传感器的总质量．(2)通过拉力传感器的示数和A 、B 间距用W ＝FL 可计算拉力做的功．(3)利用图象法处理数据，由动能定理W ＝12M v 22－12M v 21，可知W 与ΔE 成正比，作图可用描点法，图线如图所示．答案：(1)①小车 ②释放小车 (2)0.600 0.610 (3)见解析图4．(2017·高考江苏卷)利用如图甲所示的实验装置探究恒力做功与物体动能变化的关系．小车的质量为M ＝200.0 g ，钩码的质量为m ＝10.0 g ，打点计时器的电源为50 H 的交流电．(1)挂钩码前，为了消除摩擦力的影响，应调节木板右侧的高度，直至向左轻推小车观察到________________________________________________________________________．(2)挂上钩码，按实验要求打出的一条纸带如图乙所示．选择某一点为O ，依次每隔4个计时点取一个计数点．用刻度尺量出相邻计数点间的距离Δx ，记录在纸带上．计算打出各计数点时小车的速度v ，其中打出计数点“1”时小车的速度v 1＝________ m/s .(3)将钩码的重力视为小车受到的拉力，取g ＝9.80 m/s ，利用W ＝mg Δx 算出拉力对小车做的功W .利用E k ＝12M v 2算出小车动能，并求出动能的变化量ΔE k .计算结果见下表．W /×10－3 J 2.45 2.92 3.35 3.81 4.26 ΔE k /×10－3 J2.312.733.123.614.00请根据表中的数据，在方格纸上作出ΔE k －W 图象．(4)实验结果表明，ΔE k 总是略小于W .某同学猜想是由于小车所受拉力小于钩码重力造成的．用题中小车和钩码质量的数据可算出小车受到的实际拉力F ＝____N .解析：(1)挂钩码前，调节木板右侧的高度，直至向左轻推小车，观察到小车做匀速直线运动，表明此时已消除了摩擦力的影响．(2)打出计数点“1”时小车的速度v 1＝（2.06＋2.50）×10－20.2 m/s ＝0.228 m/s .(3)根据题表格中的数据，描点作图．(4)由于W ＝mg Δx ，ΔE k ＝F Δx ，则有F ＝ΔE kW mg ＝4.24－2.004.50－2.14×0.01×9.8 N ≈0.093 N .答案：(1)小车做匀速运动 (2)0.228 (3)如图 (4)0.093。
高考物理一轮复习第五单元机械能实验五探究动能定理学案新人教版
实验五探究动能定理[实验目的]1．通过实验探究外力做功与物体速度变化的关系．2．通过实验数据分析,总结出外力做功与物体速度平方的正比关系．[实验原理]1．改变功的大小:采用实验原理图所示的实验装置,用1条、2条、3条…规格同样的橡皮筋将小车拉到同一位置由静止释放,橡皮筋拉力对小车所做的功依次为W、2W、3W….2．确定速度的大小:小车获得的速度v可以由纸带和打点计时器测出,也可以用其他方法测出．3．寻找功与速度变化的关系:以橡皮筋拉力所做的功W为纵坐标,小车获得的速度v为横坐标,作出Wv或Wv2图象．分析图象,得出橡皮筋拉力对小车所做的功与小车获得的速度的定量关系．[实验器材]小车(前面带小钩)、长木板(两侧适当的对称位置钉两个铁钉)、打点计时器及纸带、学生电源及导线(若使用电火花计时器则不用学生电源)、若干条等长的橡皮筋、毫米刻度尺．[实验步骤]1．按原理图将仪器安装好．2．平衡摩擦力:在长木板的有打点计时器的一端下面垫一块木块,反复移动木块的位置,直至小车上不挂橡皮筋时,轻推小车,纸带打出的点间距均匀,即小车能匀速运动为止．3．先用1条橡皮筋做实验,用打点计时器和纸带测出小车获得的速度v1,设此时橡皮筋对小车做的功为W,将这一组数据记入表格．4．用2条橡皮筋做实验,实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次相同,这时橡皮筋对小车做的功为2W,测出小车获得的速度v2,将数据记入表格．5．用3条、4条…橡皮筋做实验,用同样的方法测出功和速度,记入表格．[数据处理]1．求小车速度实验获得如图所示纸带,利用纸带上点迹均匀的一段测出两点间的距离,如纸带上A、C两点间的距离x,则v＝x2T(其中T为打点周期)．2．计算W、2W、3W…时对应v、v2的数值,填入下面表格.W 2W 3W 4W 5Wvv23.在坐标纸上分别作出Wv和Wv2图线,从中找出功与速度变化的关系．[误差分析]1．误差的主要来源是橡皮筋的长度、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木板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,测量不准带来误差．命题点1 教材原型实验某学习小组做探究“合力的功和物体速度变化的关系”的实验,图1中小车是在1条橡皮筋作用下弹出,沿木板滑行,这时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,使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由打点计时器所打的纸带测出．(1)除了图中已有的实验器材外,还需要导线、开关、________(填测量工具)和________(选填“交流”或“直流”)电源．(2)实验中,小车会受到摩擦阻力的作用,可以使木板适当倾斜来平衡摩擦阻力,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C．小车在两个铁钉的连线处D．小车已过两个铁钉的连线(4)在正确操作情况下,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,应选用图2中纸带的________部分进行测量．【解析】(1)为测量小车获得的速度,必须用刻度尺来测量纸带上点和点之间的距离；打点计时器必须使用交流电源．(2)平衡摩擦力时,也要平衡纸带与限位孔之间的摩擦力．根据平衡状态的特点,小车做匀速运动时即平衡了摩擦力．(3)若木板水平放置,则未平衡摩擦力．小车速度最大时,也就是加速度为零的时刻,即橡皮筋对小车的拉力等于小车受到的摩擦力的时刻,此时橡皮筋处于伸长状态,小车还未到两个铁钉的连线处,B正确．(4)应该选用纸带上小车做匀速运动的部分进行测量,此时小车的速度最大,即GK部分．【答案】(1)刻度尺交流(2)D (3)B (4)GK高分技法本实验注意事项1平衡摩擦力:将木板一端垫高,使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡.方法:使小车连着纸带并接通电源,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做匀速运动,找到长木板的一个合适的倾角.2选点测速:测小车的速度时,纸带上的点应选均匀部分的,也就是选小车做匀速运动时的部分.3橡皮筋的选择:橡皮筋应选规格一样的.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.4先后顺序:开始实验时,小车应靠近打点计时器,并且要先接通电源再释放小车.5小车的选择:小车质量应适当大一些,使纸带上打的点多一些.1．如图甲所示为探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度关系的实验装置．打点计时器使用的电源频率为50 Hz.实验主要过程如下:①设法让橡皮筋对小车做的功分别为W、2W、3W……②分析打点计时器打出的纸带,求出小车的速度v1、v2、v3……③作出Wv草图．④分析Wv图象,如果Wv图象是一条直线,表明W∝v；如果不是直线,可考虑是否存在W∝v2、W∝v3、W∝v等关系．(1)实验中木板略微倾斜,这样做CD.A．是为了使释放小车后,小车能匀加速下滑B．是为了增大小车下滑的加速度C．可使得橡皮筋做的功等于合力对小车做的功D．可使得橡皮筋松驰后小车做匀速运动(2)实验中先后用同样的橡皮筋1条、2条、3条……合并起来挂在小车的前端进行多次实验,每次都要把小车拉到同一位置再释放．把第1次只挂1条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功记为W1,第二次挂2条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功记为2W1……橡皮筋对小车做功而使小车获得的速度可根据打点计时器打出的纸带算出．根据第四次的纸带(如图乙所示)求得小车获得的速度为2.00 m/s.(保留3位有效数字)(3)通过实验获得较科学的数据作出的W v 2图象,应为图丙中的A.解析:(1)实验中木板略微倾斜,目的是平衡摩擦力,使得橡皮筋做的功等于合力对小车做的功,使得橡皮筋松驰后,小车做匀速直线运动,故C 、D 正确,A 、B 错误．(2)橡皮筋松驰后,小车做匀速直线运动,则小车获得的速度v ＝x t ＝0.040.02m/s ＝2.00 m/s.(3)合力做功等于动能的增加量,即W ＝12mv 2,可知W 与v 2成正比,故A 正确,B 、C 、D 错误． 命题点2 实验拓展创新命题角度1:实验原理创新(2019·江苏卷)某兴趣小组用如图甲所示的装置验证动能定理．(1)有两种工作频率均为50 Hz 的打点计时器供实验选用:A ．电磁打点计时器B ．电火花打点计时器为使纸带在运动时受到的阻力较小,应选择________(选填“A”或“B”)．(2)保持长木板水平,将纸带固定在小车后端,纸带穿过打点计时器的限位孔．实验中,为消除摩擦力的影响,在砝码盘中慢慢加入沙子,直到小车开始运动．同学甲认为此时摩擦力的影响已得到消除．同学乙认为还应从盘中取出适量沙子,直至轻推小车观察到小车做匀速运动．看法正确的同学是________(选填“甲”或“乙”)．(3)消除摩擦力的影响后,在砝码盘中加入砝码．接通打点计时器电源,松开小车,小车运动．纸带被打出一系列点,其中的一段如图乙所示．图中l ＝1.24 cm,纸带上A 点的速度v A ＝________m/s.(4)测出小车的质量为M ,再测出纸带上起点到A 点的距离为L .小车动能的变化量可用ΔE k ＝12Mv 2A 算出．砝码盘中砝码的质量为m ,重力加速度为g .实验中,小车的质量应________(填“远大于”“远小于”或“接近”)砝码、砝码盘和沙子的总质量,小车所受合力做的功可用W ＝mgL 算出．多次测量,若W 与ΔE k 均基本相等则验证了动能定理．【解析】 本题通过利用打点计时器验证动能定理．(1)电火花打点计时器限位孔、墨粉盘与纸带间的摩擦阻力小,在本实验中需要尽量排除阻力做功的影响,应选B.(2)在砝码盘中缓慢加沙子,直到小车开始运动,说明此时小车受到的力是最大静摩擦力,平衡摩擦力时应该是砝码盘和沙子的总重力恰好等于小车受到的滑动摩擦力,最大静摩擦力一般大于滑动摩擦力,所以还应从盘中取出适量的沙子,然后轻推小车,让小车做匀速直线运动,故看法正确的同学是乙．(3)A 点左右两侧最近两点间的距离为l ＝1.24 cm,根据匀变速直线运动中某段时间中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度可知v A ＝l 2T ＝1.24×10－22×0.02m/s ＝0.31 m/s. (4)设砝码盘和沙子的质量为m ′,平衡摩擦力时m ′g ＝f ,添加砝码m 后,根据牛顿第二定律,对小车有T －f ＝Ma ,对砝码盘、砝码和沙子有(m ＋m ′)g －T ＝(m ＋m ′)a ,两式联立得T ＝mg1＋m M ＋m ′＋m ′g 1＋m M ＋m ′,只有M ≫m ＋m ′时,绳子的拉力才近似等于砝码的重力． 【答案】 (1)B (2)乙 (3)0.31 (4)远大于命题角度2:实验器材创新某学习小组用图甲所示的实验装置探究“动能定理”．他们在气垫导轨上安装了一个光电门B ,滑块上固定一遮光条,滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连,传感器下方悬挂钩码,每次滑块都从A 处由静止释放．(1)某同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d ,如图乙所示,则d ＝________mm.(2)下列实验要求中不必要的一项是________(请填写选项前对应的字母)．A ．应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量B ．应使A 位置与光电门间的距离适当大些C ．应将气垫导轨调至水平D ．应使细线与气垫导轨平行(3)实验时保持滑块的质量M 和A 、B 间的距离L 不变,改变钩码质量m ,测出对应的力传感器的示数F 和遮光条通过光电门的时间t ,通过描点作出线性图象,研究滑块动能变化与合外力对它所做功的关系,处理数据时应作出的图象是________(填写选项前对应的字母)．A ．t －1F 图象 B.1t－F 图象 C ．t 2－1F 图象 D.1t －F 2图象【解析】 (1)由题图知d ＝2 mm ＋6×0.05 mm＝2.30 mm.(2)拉力是直接通过力传感器测量的,故A 不必要；应使A 位置与光电门的距离适当大些,有利于减小误差,故B 是必要的；应将气垫导轨调节水平,保持细线与气垫导轨平行,这样拉力才等于合力,故C 、D 是必要的．(3)根据牛顿第二定律:F ＝Ma ,滑块通过光电门的速度为:v ＝d t ,根据运动学公式:v 2＝2ax ,代入可得:⎝ ⎛⎭⎪⎫d t 2＝2F M L ,解得:t 2＝Md 22LF ,所以处理数据时应做出t 2－1F 的图象,故选C.【答案】(1)2.30 (2)A (3)C命题角度3:实验目的拓展某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究,实验装置如图甲所示,轻弹簧放置在倾斜的长木板上,弹簧左端固定,右端与一物块接触而不连接,纸带穿过打点计时器并与物块连接．向左推物块使弹簧压缩一段距离,由静止释放物块,通过测量和计算,可求得弹簧被压缩后的弹性势能．(1)实验中涉及下列操作步骤:①松手释放物块②接通打点计时器电源③木板一端抬高以平衡摩擦力④向左推物块使弹簧压缩,并测量弹簧压缩量上述步骤正确的操作顺序是________(填入代表步骤的序号)．(2)甲同学实际打点结果如图乙所示(纸带左侧连接物块),观察纸带,可知物块脱离速度的测量值比真实值________(填“偏小”或“偏大”)．(3)乙同学实际打点结果如图丙所示(纸带左侧连接物块)．打点计时器所用交流电的频率为50 Hz,物块质量为200 g,结合纸带所给的数据,可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为________m/s,相应的弹簧的弹性势能为________J．(结果均保留两位有效数字)【解析】 本题考查探究轻弹簧的弹性势能．(1)实验步骤为先平衡摩擦力,即将木板一端抬高以平衡摩擦力,再向左推物块使弹簧压缩,并测量弹簧压缩量,然后接通打点计时器电源,最后松手释放物块,因此正确的操作步骤为③④②①.(2)由图乙知,物块先加速后减速,可知平衡摩擦力不足,得到的物块速度偏小,即测量值比真实值小．(3)由图丙知,物块脱离弹簧后做匀速运动,物块做匀速直线运动的速度为v ＝1.55＋1.56＋1.55＋1.54×10－2 m 4×0.02 s ＝0.78 m/s ；根据动能定理可知相应的弹性势能E p ＝12mv 2＝0.061 J.【答案】 (1)③④②① (2)偏小 (3)0.78 0.061。
2020高考物理大一轮复习教案：教师用书 实验五 探究动能定理
实验五探究动能定理,误差分析1．误差的主要来源是橡皮筋的长度、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。
3．橡皮筋的选择：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。
考点一教材原型实验考向1实验原理与操作(2019·甘肃凉州区期末)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W0。
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________(选填“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，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)。
【物理】2019届一轮复习人教版实验五探究动能定理学案
实验五探究动能定理1.通过实验探究力对物体做的功与物体速度变化的关系.2.体会探究过程和所使用的方法．【实验目的】1．通过实验探究外力对物体做功与物体速度变化的关系．2．通过分析实验数据，总结出做功与物体速度的平方的正比例关系.【实验原理】探究功与速度变化的关系，可通过改变力对物体做的功，测出力对物体做不同的功时物体的速度，为简化实验可将物体初速度设置为零，可用图1所示的装置进行实验，通过增加橡皮筋的条数使橡皮筋对小车做的功成倍增加，再通过打点计时器和纸带来测量每次实验后小车的末速度v.【实验器材】小车(前面带小钩)、100 g 200 g砝码、长木板(两侧适当的对称位置钉两个铁钉)，打点计时器及纸带、学生电源及导线(使用电火花计时器则不用学生电源)、5 6条等长的橡皮筋、刻度尺．【实验步骤】1．按如图1所示将实验仪器安装好，同时平衡摩擦力．图12．先用一条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车获得的速度v1，设此时橡皮筋对小车做的功为W1，将这一组数据记入表格．3．用2条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次相同，这时橡皮筋对小车做的功为W2，测出小车获得的速度v2，将数据记入表格．4．用3条、4条……橡皮筋做实验，用同样的方法测出功和速度，记入表格.【数据处理】先对测量数据进行估计，或者作个W－v草图，大致判断两个量可能是什么关系．如果认为可能是W∝v2，对于每一个速度值算出它的二次方，然后以W为纵坐标、v2为横坐标作图，如果这样作出来的图象是一条直线，说明两者关系真的就是W∝v2.【误差分析】1．误差的主要是橡皮筋的长度、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．利用打点的纸带计算小车的速度时，测量不准会带来误差．【注意事项】1．平衡摩擦力很关键，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j打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否做匀速运动，找到木板一个合适的倾角．2．测小车速度时，应选纸带上点距均匀的部分，也就是选小车做匀速运动时打在纸带上的点．3．橡皮筋应选规格一样的．力对小车做的功以一条橡条筋做的功为单位即可，不必计算出具体数值．这是本实验的技巧之一，这里通过转换单位的方法巧妙地解决了这一难题，这也是物理实验中常用的一种思想和手段．(历史上卡文迪许扭秤实验和这里相似)高频热点一实验原理及数据处理【例1】如图1所示是某研究性学习小组的同学做探究“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。
2020高考物理复习实验五探究动能定理学案(无答案)新人教版
实验五探究动能定理一、实验目的探究外力对物体做功与物体的关系,通过实验数据分析,总结出做功与物体速度平方的正比关系.实验方案一探究恒力做功与速度变化1.实验原理重物通过滑轮牵引小车,当小车的质量比重物的质量大得多且摩擦力忽略不计时,可以把重物所受的当作小车受到的牵引力.如图S5-1所示.图S5-1改变重物的质量或者改变小车运动的,也就改变了牵引力做的功,从而探究牵引力做的功与小车获得的速度间的关系.2.实验器材小车、一端带滑轮的长木板、砝码、钩码、、打点计时器、纸带、等.3.实验步骤(1)垫高木板不带滑轮的一端,.(2)在小车中放入砝码,把纸带穿过打点计时器,连在小车后端,用细线绕过滑轮连接小车和钩码.(3)将小车停在打点计时器附近,先接通电源,再释放小车,关闭打点计时器电源.(4)改变钩码的数量,更换纸带重复进行操作.4.注意事项(1)实验前必须首先平衡摩擦力.(2)必须保证所悬挂钩码的重力远小于小车的重力,这时钩码的重力才近似等于小车所受的合外力.5.数据处理(1)小车受到的合外力F:大小近似等于所挂钩码的重力mg,故用天平测出钩码的质量m,可得F≈mg.(2)通过纸带测小车的位移l.(3)求出合力对小车做的功W=Fl=mgl.(4)通过纸带求出对应位移l时,小车获得的速度v=.6.结论研究W与v的关系,发现合力对小车做的功W与小车速度的平方成正比,即满足W∝v2.实验方案二探究变力做功与速度变化1.实验原理(如图S5-2所示)图S5-2(1)一根橡皮筋作用在小车上移动距离x——做功为W.(2)两根橡皮筋作用在小车上移动距离x——做功应为.(3)三根橡皮筋作用在小车上移动距离x——做功应为.(4)利用打点计时器求出小车离开橡皮筋的速度,列表、作图,由图像可以确定功与速度变化的关系.2.实验器材、小车、木板、、纸带、、铁钉等.3.实验步骤(1)垫高木板的一端,平衡.(2)拉伸的橡皮筋对小车做功:①用一条橡皮筋拉小车——做功为W.②用两条橡皮筋拉小车——做功为2W.③用三条橡皮筋拉小车——做功为3W.(3)测出每次做功后小车获得的.(4)分别用各次实验测得的v和W绘制W-v或W-v2、W-v3……图像,直到明确得出W和v的关系.4.实验注意事项(1)将木板一端垫高,使小车的重力沿斜面向下的分力与平衡.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做运动,找到长木板的一个合适的倾角.(2)测小车速度时,应选纸带上点迹均匀的部分,也就是选小车做运动的部分.(3)橡皮筋应选规格相同的.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.(4)小车质量应大一些,使纸带上打的点多一些.5.实验探究的技巧与方法(1)不直接计算W的数值,而只是看第2次、第3次……实验中的W是第1次的多少倍,简化数据的测量和处理.(2)作W-v图像,或W-v2、W-v3图像,直到作出的图像是一条倾斜的直线.6.实验结论物体速度v与外力做功W间的关系:W与v2成正比.热点一实验原理与实验操作例1某实验小组用如图S5-3所示的实验装置和实验器材做“探究做功与物体速度变化的关系”实验.在实验中,该小组同学把沙和沙桶的总重力当作小车受到的合外力.图S5-3(1)为了保证实验结果的误差尽量小,在实验操作中,下面的做法必要的是(填选项前的字母).A.实验前要对装置进行平衡摩擦力的操作B.实验操作时要先释放小车,后接通电源C.在利用纸带进行数据处理时,所选的两个研究点离得越近越好D.在实验过程中要保证沙和沙桶的总质量远小于小车的质量(2)除实验装置中的仪器外,还需要的测量仪器有.(3)图S5-4为实验中打出的一条纸带,现选取纸带中的A、B两点来探究功与速度变化的关系.已知打点计时器的打点周期为T,重力加速度为g.图中已经标明了要测量的物理量,另外,小车的质量为M,沙和沙桶的总质量为m.请你把要探究的结果用题中给出的字母表达出来:.图S5-4变式题某学习小组做“探究做功与物体速度变化的关系”实验的装置如图S5-5所示,图中小车在一条橡皮筋作用下弹出,弹出后沿木板滑行,橡皮筋对小车做的功记为W.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(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打在纸带上的点进行计算.图S5-5(1)除了图中已有的实验器材外,还需要导线、开关、刻度尺和(选填“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(填选项前的字母).A.放开小车,小车能够自由下滑即可B.放开小车,小车能够匀速下滑即可C.放开拖着纸带的小车,小车能够自由下滑即可D.放开拖着纸带的小车,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(填选项前的字母).A.橡皮筋处于原长状态B.橡皮筋仍处于伸长状态C.小车在两个铁钉的连线处D.小车已过两个铁钉的连线(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S5-6所示的纸带回答)图S5-6热点二数据处理与误差分析例2某同学为探究做功与物体速度变化的关系,设计了如下实验,他的操作步骤是:图S5-7A.安装好实验装置如图S5-7所示.B.将质量为200g的小车拉到打点计时器附近,并按住小车.C.在质量为10g、30g、50g的三种钩码中,他挑选了一个质量为50g的钩码挂在绳子的挂钩P上.D.打开打点计时器的电源,释放小车,打出一条纸带.(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:(g 取10m/s2)①第1个点到第N个点的距离为40.0cm.②打下第N点时小车的速度大小为1.00m/s.该同学将钩码的重力当作小车所受的拉力,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(至少答两条原因):①.②.变式题如图S5-8所示是某研究性学习小组做“探究做功与物体速度变化的关系”实验时,小车在一条橡皮筋作用下弹出并沿木板滑行的情形.这时,橡皮筋对小车做的功记为W.当把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.小车在每次实验中获得的速度由打点计时器打出的纸带测出.图S5-8(1)除了图中已给出的实验器材外,还需要的器材有.(2)平衡摩擦力后,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.(3)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.(4)从理论上讲,橡皮筋做的功W n和物体速度v n变化的关系应是W n∝,请你根据表中测定的数据在如图S5-9所示的坐标系中作出相应的图像验证理论的正确性.图S5-9热点三实验拓展与实验创新数据测量例3如图S5-10所示,某研究性学习小组为探究物体做功与动能变化的关系,设计了如下实验:平直轨道B固定在水平桌面上.弹射装置A固定于轨道上,小球被劲度系数较大的处于压缩状态的弹簧弹出后从轨道端点O滑出做平抛运动落到地面.已知弹簧的弹性势能的表达式为E p=kx2,式中k为弹簧的劲度系数,x为弹簧的形变量.图S5-10(1)为减小实验误差,弹射装置距离轨道端点O应该(选填“近些”或“远些”).(2)实验中(选填“需要”或“不需要”)测量桌面的高度.(3)改变弹簧的压缩量x,并测出对应的小球做平抛运动的水平位移s,在图S5-11的坐标纸中根据已描出的点作出合理的图线.图S5-111.做“探究功和速度变化的关系”实验时,有如图S5-12甲、乙所示的两套实验装置.请回答下列问题.(1)两种实验装置都必须满足的条件或进行的操作是(填选项前的字母).A.都需要平衡摩擦力B.小车的质量必须足够大,甲图中小车的质量要远大于橡皮筋的质量,乙图中小车的质量要远大于钩码的质量C.木板必须是光滑的D.所用的打点计时器都必须使用交流电源图S5-12(2)用图甲实验装置打的纸带如图丙所示,其中在AG段小车做加速运动,在GJ段小车做匀速运动,那么应该用(选填“AG”或“GJ”)段来计算小车的速度.(3)用图乙实验装置打出的纸带如图丁所示.某同学想利用BE段验证动能定理,测出纸带上A、C间的距离为s1,D、F间的距离为s2,B、E间的距离为s3;该同学又用天平分别测出小车质量为M,钩码的总质量为m;已知打点计时器的打点频率为f,重力加速度为g.从打B点到打E点的过程中,合力对小车做的功是,小车动能的增量是.(用题中的物理量符号表示)2.用如图S5-13甲所示装置探究功与速度变化的关系,进行的主要操作步骤如下:a.不挂橡皮筋,调整木板的倾斜程度,使小车拖动纸带匀速运动;b.将小车拉至靠近打点计时器处,接通打点计时器电源,放开小车;c.加挂一条、两条相同的橡皮筋,重复b步骤.图S5-13(1)某次实验中打出的一条纸带如图乙所示,D之前各点间的距离不相等,E之后各点间的距离都相等.若使误差最小,T为打点周期,下列计算小车匀速运动的速度的表达式最好的是(填选项前的字母).A.v=B.v=C.v=D.v=(2)若挂一条橡皮筋时E点之后相邻两点之间的距离均为x1,挂两条时E点之后相邻两点之间的距离均为x2,则x1∶x2= .(3)若测得A、B、C、D四点之间的距离分别为x AB、x BC、x CD,则(填选项前的字母).A.x BC-x AB=x CD-x BCB.x BC-x AB<x CD-x BCC.x BC-x AB>x CD-x BC3.[2018·福州十中月考]探究外力做功与物体动能变化关系的实验装置如图S5-14所示,根据实验中力传感器读数和纸带的测量数据可求得外力对小车做的功和小车动能的变化.图S5-14(1)关于该实验,下列说法中正确的是(填选项前的字母).A.调整滑轮高度,使连接小车的细线与木板平行B.实验中要始终满足钩码的质量远小于小车的质量C.若纸带上打出的是短线,可能是打点计时器输入电压过高造成的D.平衡摩擦力时,调整垫块的高度,改变钩码质量,使小车能在木板上做匀速运动(2)除了图中给出的器材外,实验中还需要交流电源、导线、刻度尺和.(3)某次实验中打出了一条纸带,其中一部分如图S5-15所示.图中各点是连续的计时点,A、B、D、E、F各点与O点间的距离如图所示,设小车质量为m,打点周期为T,本次实验过程中力传感器的读数为F,则A到E过程外力做功W1= ,小车动能变化ΔE k1= ;在不同次实验中测得多组外力做功W和对应的动能变化ΔE k的数据,作出W-ΔE k图像如图S5-16所示,图线斜率约等于1,由此得出的结论是.图S5-15图S5-164.某同学用图S5-17甲所示的实验装置探究恒力做功与小车动能变化的关系.图S5-17(1)为了能用沙和沙桶的总重力所做的功表示小车所受拉力做的功,本实验中小车质量M (选填“需要”“不需要”)远大于沙和沙桶的总质量m.(2)图乙为实验得到的一条清晰的纸带,A、B、C、D、E、F、G是纸带上7个连续的点,s AD= cm.已知电源频率为50Hz,则打点计时器在打D点时纸带的速度v= m/s(保留两位有效数字).(3)该同学画出小车动能变化ΔE k与拉力对小车所做的功W的关系图像,由于实验前遗漏了平衡摩擦力这一关键步骤,他得到的实验图线(实线)应该是图S5-18中的(填选项字母).图S5-18。
2020版高考物理一轮复习第5章实验5探究动能定理教学案新人教版
实验五探究动能定理1．实验目的(1)探究外力对物体做的功与物体速度变化的关系。
(2)通过实验数据分析，总结出外力对物体做的功与物体速度的二次方成正比关系。
2．实验原理(1)不是直接测量橡皮筋对小车做的功，而是通过改变橡皮筋条数确定橡皮筋对小车做的功W、2W、3W…(2)由于橡皮筋做功而使小车获得的速度可以由纸带和打点计时器测出，也可以用其他方法测出。
这样，进行若干次测量，就得到若干组功和速度的数据。
(3)以橡皮筋对小车做的功为纵坐标，小车获得的速度为横坐标，作出Wv或Wv2图象。
分析图象，可以得知橡皮筋对小车做的功与小车获得的速度的定量关系。
3．实验器材小车(前面带小钩)、100 g～200 g砝码、长木板(两侧适当的对称位置钉两个铁钉)、打点计时器及纸带、学生电源及导线(使用电火花计时器不用学生电源)、5～6条规格相同的橡皮筋、刻度尺。
4．实验步骤(1)按原理图将仪器安装好。
(2)平衡摩擦力：在长木板有打点计时器的一端下面垫一块木板，反复移动木板的位置，直至小车上不挂橡皮筋时，轻推小车，纸带打出的点间距均匀，即小车能匀速运动为止。
(3)先用1条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车获得的速度v1，设此时橡皮筯对小车做的功为W，将这一组数据记入表格。
(4)用2条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次相同，这时橡皮筋对小车做的功为2W，测出小车获得的速度v2，将数据记入表格。
(5)用3条、4条…橡皮筋做实验，用同样的方法测出功和速度，记入表格。
5．注意事项(1)平衡摩擦力：将木板一端垫高，使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡。
方法：使小车连着纸带并接通电源，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做匀速运动，找到长木板的一个合适的倾角。
(2)选点测速：测小车的速度时，纸带上的点应选均匀部分的，也就是选小车做匀速运动时的部分。
(3)橡皮筋的选择：橡皮筋应选规格一样的。
【物理】2020届一轮复习人教版实验探究动能定理学案
实验五探究动能定理◆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W－v或W－v2、W－v3、…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W ＝12mv 2. ◆误差分析1．误差的主要来源是橡皮筋的长度、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．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．热点一 实验原理与实验操作[典例赏析][典例1] (2017·北京卷)如图1所示，用质量为m 的重物通过滑轮牵引小车，使它在长木板上运动，打点计时器在纸带上记录小车的运动情况．利用该装置可以完成“探究动能定理”的实验．(1)打点计时器使用的电源是 ________ (选填选项前的字母)．A ．直流电源B ．交流电源(2)实验中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正确操作方法是 ________ (选填选项前的字母)．A ．把长木板右端垫高B ．改变小车的质量在不挂重物且 ________ (选填选项前的字母)的情况下，轻推一下小车，若小车拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响．A ．计时器不打点B ．计时器打点(3)接通电源，释放小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，将打下的第一个点标为O .在纸带上依次取A 、B 、C …若干个计数点，已知相邻计数点间的时间间隔为T .测得A 、B 、C …各点到O 点的距离为x 1、x 2、x 3…，如图2所示．实验中，重物质量远小于小车质量，可认为小车所受的拉力大小为mg ，从打O 点到打B 点的过程中，拉力对小车做的功W ＝ ________ ，打B 点时小车的速度v ＝ ________ .(4)以v 2为纵坐标，W 为横坐标，利用实验数据做出如图3所示的v 2－W 图象．由此图象可得v 2随W 变化的表达式为 ________________ .根据功与能的关系，动能的表达式中可能包含v 2这个因子；分析实验结果的单位关系，与图线斜率有关的物理量应是 ________________ .(5)假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响，若重物质量不满足远小于小车质量的条件，则从理论上分析，图4中正确反映v 2－W 关系的是 ________________ .图4[解析] (1)打点计时器使用50 Hz 交流电．(2)平衡摩擦力的方法为将木板一端垫高，使得重力下滑分力平衡掉所有阻力，包括打点过程中的阻力，小车做匀速直线运动的阻力．小车做匀速直线运动是通过纸带上相邻点间距相等判定的，故需计时器打点．(3)根据W ＝Fx ，拉力大小为mg ，O 到B 位移为x 2，所以W ＝mgx 2.由于小车做匀加速直线运动，B 点为AC 时间中点，AB 段平均速度为B 点瞬时速度，得到v ＝x 3－x 12T.(4)由图象可知为直线，v 2＝kW ＋b从图中读出b ＝0.01，在图中直线上任取两个非测量点的点，读出纵坐标差和横坐标差，算得k ＝4.7，所以v 2＝4.7W ＋0.01.由等式两端的物理量单位可知，左侧单位m 2·s －2，右侧单位为J.所以k 的单位为m 2·s －2J ＝m 2·s －2kg·m 2·s －2＝1kg，所以与斜率有关的物理量是质量． (5)该实验与课本实验不同，不是使用不同的数量的橡皮筋，每次测量一个速度，而是用重物质量确定，一次实验中取不同位置的点，测量多个速度．设小车质量为M ，可知重物与小车整体a ＝mg m ＋M ，设小车滑行x 时速度为v ，则2ax ＝v 2－0，可得v 2＝2m ＋M×mgx .实验中认为W ＝mgx ，则v 2＝2m ＋M·W ，m 与M 为定值，所以A 正确． [答案] (1)B (2)A B (3)mgx 2x 3－x 12T (4)v 2＝4.7W ＋0.01 质量 (5)A[题组巩固]1．(2019·西安模拟)某实验小组采用如图甲所示的装置探究功与速度变化的关系．(1)下列叙述正确的是 ________ .A ．每次实验必须设法算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有必要保持一致C ．放小车的长木板应该尽量使其水平D ．先接通电源，再让小车在橡皮筋的作用下弹出(2)实验中，某同学得到了一条如图乙所示的纸带．这条纸带上的点距并不均匀，下列说法正确的是 ________ .乙A ．纸带的左端是与小车相连的B ．纸带的右端是与小车相连的C ．利用E 、F 、G 、H 、I 、J 这些点之间的距离来确定小车的速度D ．利用A 、B 、C 、D 这些点之间的距离来确定小车的速度(3)实验中木板略微倾斜，这样做 ________ .A ．是为了释放小车后，小车能匀加速下滑B ．是为了增大小车下滑的加速度C ．可使得橡皮筋做的功等于合力对小车做的功D ．可使得橡皮筋松弛后小车做匀速运动(4)若根据多次测量数据画出的W －v 图象如图丙所示，根据图线形状，可知对W 与v 的关系符合实际的是图丙中的 ________ .丙解析：(1)橡皮筋对小车做的功和小车获得的动能满足W ＝12mv 2的关系，所以当小车质量一定时，W 与v 2成正比，只需要看W 与v 2是否成正比即可，故A 错误；实验中改变拉力做功时，为了能定量，所以用不同条数的橡皮筋且拉到相同的长度，这样橡皮筋对小车做的功才有倍数关系，故B 错误；从纸带上看出，小车先加速运动后匀速运动，这样的话就需要平衡摩擦力，故木板应该是倾斜的，故C 错误；利用打点计时器得到打点纸带时应先接通电源，后让纸带运动，故D 正确．(2)纸带右端密集，故纸带的右端是与小车相连的，要测量最大速度，应该选用点迹间距均匀的部分，即应选用纸带的A 、B 、C 、D 部分进行测量，故B 、D 正确，A 、C 错误．(3)使木板倾斜，小车受到的摩擦力与小车所受重力的分量大小相等，在不施加拉力时，小车在斜面上受到的合力为零，小车可以在斜面上静止或做匀速直线运动；小车与橡皮筋连接后，小车所受到的合力等于橡皮筋的拉力，橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功，故A 、B 错误，C 、D 正确．(4)实验研究发现，W 与v 2成正比，故W 与v 的图象应该是向上弯曲的曲线，故C 正确，A 、B 、D 错误．答案：(1)D (2)BD (3)CD (4)C2．在“探究功与速度变化的关系”实验中，某同学设计了如图甲所示的实验方案：使小物块在橡皮筋的作用下沿水平桌面被弹出，第二次、第三次…操作时分别改用2根、3根…同样的橡皮筋将小物块弹出．测出小物块被弹出时的速度，然后找到牵引力对小物块做的功与小物块速度的关系．(1)要测得小物块被弹出后的水平速度，需要测量哪些物理量 ________ (填正确答案标号，g 已知)．A ．小物块的质量mB ．橡皮筋的原长xC ．橡皮筋的伸长量ΔxD ．桌面到地面的高度hE ．小物块抛出点到落地点的水平距离L(2)用测量的物理量表示获得速度大小的表达式 ____________ .(3)能够实现橡皮筋对小物块做功整数倍变化的是 ________ .A ．增加相同橡皮筋的条数，使小物块每次从同一位置释放B ．橡皮筋两端固定，使橡皮筋的伸长量依次加倍C ．橡皮筋两端固定，使橡皮筋的长度依次加倍D ．释放小物块的位置等间距的变化(4)根据实验数据做出W －v 2的图象如图乙所示，图线不通过原点的原因是__________________________________.解析：(1)(2)物块离开桌面后做平抛运动，竖直方向h ＝12gt 2，水平方向L ＝vt ，解得v ＝L g 2h，要测物块被弹出时的速度，需要测量桌面到地面的高度h ，小物块抛出点到落地点的水平距离L ，故D 、E 正确．(3)实验时，选择相同的橡皮筋，使橡皮筋的形变量相同，通过改变橡皮筋的条数改变橡皮筋对小车所做的功，故A 正确，B 、C 、D 错误．(4)物块在桌面上运动时，弹力对物块做正功，摩擦力对物块做负功，由于物块要克服摩擦力做功，则图象不过原点．答案：(1)DE (2)v ＝L g 2h(3)A (4)物块在桌面上运动时要克服摩擦力做功热点二 数据处理与误差分析[典例赏析][典例2] (2017·江苏卷)利用如图所示的实验装置探究恒力做功与物体动能变化的关系．小车的质量为M ＝200.0 g ，钩码的质量为m ＝10.0 g ，打点计时器的电源为50 Hz 的交流电．(1)挂钩码前，为了消除摩擦力的影响，应调节木板右侧的高度，直至向左轻推小车观察到 ________ .(2)挂上钩码，按实验要求打出的一条纸带如图所示．选择某一点为O ，依次每隔4个计时点取一个计数点．用刻度尺量出相邻计数点间的距离Δx ，记录在纸带上．计算打出各计数点时小车的速度v ，其中打出计数点“1”时小车的速度v 1＝ ________ m/s.(3)将钩码的重力视为小车受到的拉力，取g ＝9.80 m/s 2，利用W ＝mg Δx 算出拉力对小车做的功W .利用E k ＝12Mv 2算出小车动能，并求出动能的变化量ΔE k .计算结果见下表．k(4)实验结果表明，ΔE k 总是略小于W .某同学猜想是由于小车所受拉力小于钩码重力造成的．用题中小车和钩码质量的数据可算出小车受到的实际拉力F ＝ ________ N.[解析] (1)小车能够自由做匀速运动，纸带上打出间距均匀的点，则表明平衡摩擦力；(2)相邻计数点间时间间隔为T ＝0.1 s ，v 1＝x O 22T＝0.228 m/s ； (3)描点画图，如图所示(4)对整体，根据牛顿第二定律：mg ＝(m ＋M )a ，钩码：mg －F T ＝ma ，联立解得绳上拉力：F T ＝Mm M ＋mg ＝0.093 N. [答案] (1)小车做匀速运动 (2)0.228 (3)见下图(4)0.093[题组巩固]3．在“探究恒力做功与动能改变的关系”的实验中(装置如图甲)：甲(1)下列说法哪一项是正确的 ________ .(填选项前的字母)A ．平衡摩擦力时必须将钩码通过细线挂在小车上B ．为减小系统误差，应使钩码质量远大于小车质量C ．实验时，应使小车靠近打点计时器由静止释放(2)图乙是实验中获得的一条纸带的一部分，选取O 、A 、B 、C 计数点，已知打点计时器使用的交流电频率为50 Hz ，则打B 点时小车的瞬时速度大小为 ________ m/s(保留三位有效数字)．乙解析：(1)平衡摩擦力时不需要将钩码挂在小车上，选项A 错误；为减小系统误差，应使钩码质量远小于小车质量，选项B 错误；实验时，应使小车靠近打点计时器由静止释放，选项C 正确．(2)由题中纸带可知，打B 点时小车的瞬时速度为v ＝(18.59－5.53)×10－22×0.1m/s ＝0.653 m/s.答案：(1)C (2)0.6534．(2019·甘肃兰州模拟)某同学为探究“合外力做功与物体动能改变的关系”，设计了如下实验，操作步骤为：①按图1摆好实验装置，其中小车质量M ＝0.20 kg ，钩码总质量m ＝0.05 kg.②先接通打点计时器的电源(电源频率为f ＝50 Hz)，然后释放小车，打出一条纸带．图1(1)他在多次重复实验得到的纸带中选取出自认为满意的一条，如图2所示，把打下的第一点记作0，选取点迹清晰的三个相邻计数点标记为1、2、3(相邻计数点间还有4个点未画出)，用刻度尺测得计数点1、2、3到0点的距离分别为d 1＝25.6 cm ，d 2＝36.0 cm ，d 3＝48.0 cm.他把钩码重力作为小车所受合外力(g 取9.8 m/s 2)，算出打下0点到打下点2过程中合力做功W ＝ ______ J ，把打下点2时小车的动能作为小车动能的改变量，算得E k ＝ ________ J ．(结果保留三位有效数字)图2(2)根据此次实验探究的结果，他并没能得到“合外力对物体做的功等于物体动能的增量”，且误差较大．你认为产生这种情况的原因可能是_____________________________(写出一条即可)．解析：(1)由题意，合力做功为W ＝mgd 2≈0.176 J；打下点2时小车的速度v 2＝d 3－d 12T＝1.12 m/s ，此时小车的动能E k ＝12Mv 22≈0.125 J. (2)由于钩码重力做功大于小车动能增加量，其原因一定是合外力小于钩码的重力，所以可能的原因是未平衡摩擦力或钩码的质量没有满足远小于小车的质量的条件．答案：(1)0.176 0.125 (2)没有平衡摩擦力或钩码的质量没有满足远小于小车的质量的条件热点三 实验改进与创新[核心提炼][典例3] 某学习小组利用如图所示的装置验证动能定理．(1)将气垫导轨调至水平，安装好实验器材，从图中读出两光电门中心之间的距离s＝________ cm.(2)测量挡光条的宽度d，记录挡光条通过光电门1和2所用的时间Δt1和Δt2，并从拉力传感器中读出滑块受到的拉力F，为了完成实验，还需要直接测量的一个物理量是_________________________________________________．(3)该实验是否需要满足砝码盘和砝码的总质量远小于滑块、挡光条和拉力传感器的总质量？ ________ (填“是”或“否”)．[解析] (1)两光电门中心之间的距离s ＝70.30 cm －20.30 cm ＝50.00 cm.(2)由于该实验验证的是动能定理，故还需要知道滑块、挡光条和拉力传感器的总质量．(3)由于拉力可以通过拉力传感器的读数直接得到，故不需要满足砝码盘和砝码的总质量远小于滑块、挡光条和拉力传感器的总质量．[答案] (1)50.00 (2)滑块、挡光条和拉力传感器的总质量M (3)否[题组巩固]5．(2019·钦州模拟)某校物理兴趣小组利用如图甲所示装置探究合力做功与动能变化的关系．在滑块上安装一遮光条，系轻细绳处安装一拉力传感器(可显示出轻细绳中的拉力)，把滑块放在水平气垫导轨上A 处，细绳通过定滑轮与钩码相连，光电门安装在B 处．气垫导轨充气，将滑块从A 位置由静止释放后，拉力传感器记录的读数为F ，光电门记录的时间为Δt .(1)用螺旋测微器测量遮光条的宽度，如图乙所示，则宽度为 ________ mm.(2)多次改变钩码的质量(拉力传感器记录的读数F 相应改变)，测得多组F 和Δt 数据，要得到线性变化图象，若已经选定F 作为纵坐标，则横坐标代表的物理量为 ________ .A ．ΔtB ．(Δt )2 C.1Δt D.⎝ ⎛⎭⎪⎫1Δt 2 (3)若正确选择横坐标所代表的物理量后，得出线性变化图象的斜率为k ，且已经测出A 、B 之间的距离为s ，遮光条的宽度为d ，则滑块质量(含遮光条和拉力传感器)的表达式为M ＝ ________ .解析：(1)螺旋测微器的固定刻度为 2.5 mm ，可动刻度为6×0.01 mm＝0.060 mm ，所以最终读数为2.5 mm ＋0.060 mm ＝2.560 mm ，即遮光条的宽度d ＝2.560 mm.(2)滑块通过光电门B 的速度v ＝d Δt ，根据动能定理得Fs ＝12Mv 2，则F ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫Md 22s ⎝ ⎛⎭⎪⎫1Δt 2，要得到线性变化图象，若已经选定F 作为纵坐标，则横坐标代表的物理量为⎝⎛⎭⎪⎫1Δt 2，故D 正确，A 、B 、C 错误． (3)根据F ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫Md 22s ⎝ ⎛⎭⎪⎫1Δt 2可知，F －⎝ ⎛⎭⎪⎫1Δt 2图象的斜率k ＝Md 22s ，解得M ＝2sk d 2.答案：(1)2.560 (2)D (3)2sk d 2 6．为验证“动能定理”，即：合外力对物体做的功等于物体动能的变化，实验装置如图甲，木板倾斜构成斜面，斜面B 处装有图乙所示的光电门．(1)如图丙，用10分度的游标卡尺测得挡光条的宽度d ＝ ________ cm.(2)装有挡光条的物块由A 处静止释放后沿斜面加速下滑，读出挡光条通过光电门的挡光时间t ，则物块通过B 处时的速度为 ________ (用字母d 、t 表示)．(3)测得A 、B 两处的高度差为H ，水平距离L ；已知物块与斜面的动摩擦因数为μ，为了完成实验，还必须知道的物理量是 ______________ .(4)如果实验结论得到验证，则以上各物理量之间的关系满足：H ＝ ________ (用字母表示)．解析：(1)游标卡尺的主尺读数为0.5 cm ，游标读数等于0.1×2 mm＝0.2 mm ＝0.02 cm ，所以最终读数为0.5 cm ＋0.02 cm ＝0.52 cm.(2)物块通过光电门时的速度为v ＝d t .(3)根据物块下滑过程中，重力与滑动摩擦力做的功，等于动能的增加，则12mv 2B ＝mgH －μmg cos θ·Lcos θ＝mgH －μmgL ，为了完成实验，还必须知道的物理量是重力加速度g .(4)根据动能定理得12mv 2B ＝mgH －μmgL ，解得H ＝d 2t 2＋2μgL 2g ＝d 2＋2μgt 2L 2gt 2.d t (3)当地的重力加速度g(4)d2＋2μgt2L2gt2答案：(1)0.52 (2)。
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实验五探究动能定理一、实验目的探究外力对物体做功与物体的关系,通过实验数据分析,总结出做功与物体速度平方的正比关系.实验方案一探究恒力做功与速度变化1.实验原理重物通过滑轮牵引小车,当小车的质量比重物的质量大得多且摩擦力忽略不计时,可以把重物所受的当作小车受到的牵引力.如图S5-1所示.图S5-1改变重物的质量或者改变小车运动的,也就改变了牵引力做的功,从而探究牵引力做的功与小车获得的速度间的关系.2.实验器材小车、一端带滑轮的长木板、砝码、钩码、、打点计时器、纸带、等.3.实验步骤(1)垫高木板不带滑轮的一端,.(2)在小车中放入砝码,把纸带穿过打点计时器,连在小车后端,用细线绕过滑轮连接小车和钩码.(3)将小车停在打点计时器附近,先接通电源,再释放小车,关闭打点计时器电源.(4)改变钩码的数量,更换纸带重复进行操作.4.注意事项(1)实验前必须首先平衡摩擦力.(2)必须保证所悬挂钩码的重力远小于小车的重力,这时钩码的重力才近似等于小车所受的合外力.5.数据处理(1)小车受到的合外力F:大小近似等于所挂钩码的重力mg,故用天平测出钩码的质量m,可得F≈mg.(2)通过纸带测小车的位移l.(3)求出合力对小车做的功W=Fl=mgl..(4)通过纸带求出对应位移l时,小车获得的速度v=x x+x x+12x6.结论研究W与v的关系,发现合力对小车做的功W与小车速度的平方成正比,即满足W∝v2.实验方案二探究变力做功与速度变化1.实验原理(如图S5-2所示)图S5-2(1)一根橡皮筋作用在小车上移动距离x——做功为W.(2)两根橡皮筋作用在小车上移动距离x——做功应为.(3)三根橡皮筋作用在小车上移动距离x——做功应为.(4)利用打点计时器求出小车离开橡皮筋的速度,列表、作图,由图像可以确定功与速度变化的关系.2.实验器材、小车、木板、、纸带、、铁钉等.3.实验步骤(1)垫高木板的一端,平衡.(2)拉伸的橡皮筋对小车做功:①用一条橡皮筋拉小车——做功为W.②用两条橡皮筋拉小车——做功为2W.③用三条橡皮筋拉小车——做功为3W.(3)测出每次做功后小车获得的.(4)分别用各次实验测得的v和W绘制W-v或W-v2、W-v3……图像,直到明确得出W和v的关系.4.实验注意事项(1)将木板一端垫高,使小车的重力沿斜面向下的分力与平衡.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做运动,找到长木板的一个合适的倾角.(2)测小车速度时,应选纸带上点迹均匀的部分,也就是选小车做运动的部分.(3)橡皮筋应选规格相同的.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.(4)小车质量应大一些,使纸带上打的点多一些.5.实验探究的技巧与方法(1)不直接计算W的数值,而只是看第2次、第3次……实验中的W是第1次的多少倍,简化数据的测量和处理.(2)作W-v图像,或W-v2、W-v3图像,直到作出的图像是一条倾斜的直线.6.实验结论物体速度v与外力做功W间的关系:W与v2成正比.热点一实验原理与实验操作例1某实验小组用如图S5-3所示的实验装置和实验器材做“探究做功与物体速度变化的关系”实验.在实验中,该小组同学把沙和沙桶的总重力当作小车受到的合外力.图S5-3(1)为了保证实验结果的误差尽量小,在实验操作中,下面的做法必要的是(填选项前的字母).A.实验前要对装置进行平衡摩擦力的操作B.实验操作时要先释放小车,后接通电源C.在利用纸带进行数据处理时,所选的两个研究点离得越近越好D.在实验过程中要保证沙和沙桶的总质量远小于小车的质量(2)除实验装置中的仪器外,还需要的测量仪器有.(3)图S5-4为实验中打出的一条纸带,现选取纸带中的A、B两点来探究功与速度变化的关系.已知打点计时器的打点周期为T,重力加速度为g.图中已经标明了要测量的物理量,另外,小车的质量为M,沙和沙桶的总质量为m.请你把要探究的结果用题中给出的字母表达出来:.图S5-4变式题某学习小组做“探究做功与物体速度变化的关系”实验的装置如图S5-5所示,图中小车在一条橡皮筋作用下弹出,弹出后沿木板滑行,橡皮筋对小车做的功记为W.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(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打在纸带上的点进行计算.图S5-5(1)除了图中已有的实验器材外,还需要导线、开关、刻度尺和(选填“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(填选项前的字母).A.放开小车,小车能够自由下滑即可B.放开小车,小车能够匀速下滑即可C.放开拖着纸带的小车,小车能够自由下滑即可D.放开拖着纸带的小车,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(填选项前的字母).A.橡皮筋处于原长状态B.橡皮筋仍处于伸长状态C.小车在两个铁钉的连线处D.小车已过两个铁钉的连线(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S5-6所示的纸带回答)图S5-6热点二数据处理与误差分析例2某同学为探究做功与物体速度变化的关系,设计了如下实验,他的操作步骤是:图S5-7A.安装好实验装置如图S5-7所示.B.将质量为200g的小车拉到打点计时器附近,并按住小车.C.在质量为10g、30g、50g的三种钩码中,他挑选了一个质量为50g的钩码挂在绳子的挂钩P上.D.打开打点计时器的电源,释放小车,打出一条纸带.(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:(g 取10m/s2)①第1个点到第N个点的距离为40.0cm.②打下第N点时小车的速度大小为1.00m/s.该同学将钩码的重力当作小车所受的拉力,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(至少答两条原因):①.②.变式题如图S5-8所示是某研究性学习小组做“探究做功与物体速度变化的关系”实验时,小车在一条橡皮筋作用下弹出并沿木板滑行的情形.这时,橡皮筋对小车做的功记为W.当把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.小车在每次实验中获得的速度由打点计时器打出的纸带测出.图S5-8(1)除了图中已给出的实验器材外,还需要的器材有.(2)平衡摩擦力后,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.(3)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个间距的距离x(m)10个间距的时间T(s)小车获得的速度v n小车速度的二次方v n2第1次W0.200 0.2 第2次0.280 0.2 第3次0.300 0.2 第4次0.400 0.2 第5次0.450 0.2(4)从理论上讲,橡皮筋做的功W n和物体速度v n变化的关系应是W n∝,请你根据表中测定的数据在如图S5-9所示的坐标系中作出相应的图像验证理论的正确性.图S5-9热点三实验拓展与实验创新实验器材及装置的替换数据测量的改进实验方案利用自由落体运动探究功和动能变化的关系的迁移例3如图S5-10所示,某研究性学习小组为探究物体做功与动能变化的关系,设计了如下实验:平直轨道B固定在水平桌面上.弹射装置A固定于轨道上,小球被劲度系数较大的处于压缩状态的弹簧弹出后从轨道端点O滑出做平抛运动落到地面.已知弹簧的弹性势能的表达式为E p=1kx2,式中k为弹簧的劲度系数,x为弹簧的形变量.2图S5-10(1)为减小实验误差,弹射装置距离轨道端点O应该(选填“近些”或“远些”).(2)实验中(选填“需要”或“不需要”)测量桌面的高度.(3)改变弹簧的压缩量x,并测出对应的小球做平抛运动的水平位移s,在图S5-11的坐标纸中根据已描出的点作出合理的图线.图S5-111.做“探究功和速度变化的关系”实验时,有如图S5-12甲、乙所示的两套实验装置.请回答下列问题.(1)两种实验装置都必须满足的条件或进行的操作是(填选项前的字母).A.都需要平衡摩擦力B.小车的质量必须足够大,甲图中小车的质量要远大于橡皮筋的质量,乙图中小车的质量要远大于钩码的质量C.木板必须是光滑的D.所用的打点计时器都必须使用交流电源图S5-12(2)用图甲实验装置打的纸带如图丙所示,其中在AG 段小车做加速运动,在GJ 段小车做匀速运动,那么应该用 (选填“AG ”或“GJ ”)段来计算小车的速度.(3)用图乙实验装置打出的纸带如图丁所示.某同学想利用BE 段验证动能定理,测出纸带上A 、C 间的距离为s 1,D 、F 间的距离为s 2,B 、E 间的距离为s 3;该同学又用天平分别测出小车质量为M ,钩码的总质量为m ;已知打点计时器的打点频率为f ,重力加速度为g.从打B 点到打E 点的过程中,合力对小车做的功是 ,小车动能的增量是 .(用题中的物理量符号表示)2.用如图S5-13甲所示装置探究功与速度变化的关系,进行的主要操作步骤如下: a .不挂橡皮筋,调整木板的倾斜程度,使小车拖动纸带匀速运动; b .将小车拉至靠近打点计时器处,接通打点计时器电源,放开小车; c .加挂一条、两条相同的橡皮筋,重复b 步骤.图S5-13(1)某次实验中打出的一条纸带如图乙所示,D 之前各点间的距离不相等,E 之后各点间的距离都相等.若使误差最小,T 为打点周期,下列计算小车匀速运动的速度的表达式最好的是 (填选项前的字母).A .v=xx x B .v=xx x C .v=xx 2x D .v=xx3x(2)若挂一条橡皮筋时E 点之后相邻两点之间的距离均为x 1,挂两条时E 点之后相邻两点之间的距离均为x 2,则x 1∶x 2= .(3)若测得A 、B 、C 、D 四点之间的距离分别为x AB 、x BC 、x CD ,则 (填选项前的字母). A .x BC -x AB =x CD -x BC B .x BC -x AB <x CD -x BC C .x BC -x AB >x CD -x BC3.[2018·福州十中月考]探究外力做功与物体动能变化关系的实验装置如图S5-14所示,根据实验中力传感器读数和纸带的测量数据可求得外力对小车做的功和小车动能的变化.图S5-14(1)关于该实验,下列说法中正确的是(填选项前的字母).A.调整滑轮高度,使连接小车的细线与木板平行B.实验中要始终满足钩码的质量远小于小车的质量C.若纸带上打出的是短线,可能是打点计时器输入电压过高造成的D.平衡摩擦力时,调整垫块的高度,改变钩码质量,使小车能在木板上做匀速运动(2)除了图中给出的器材外,实验中还需要交流电源、导线、刻度尺和.(3)某次实验中打出了一条纸带,其中一部分如图S5-15所示.图中各点是连续的计时点,A、B、D、E、F各点与O点间的距离如图所示,设小车质量为m,打点周期为T,本次实验过程中力传感器的读数为F,则A到E过程外力做功W1= ,小车动能变化ΔE k1= ;在不同次实验中测得多组外力做功W和对应的动能变化ΔE k的数据,作出W-ΔE k图像如图S5-16所示,图线斜率约等于1,由此得出的结论是.图S5-15图S5-164.某同学用图S5-17甲所示的实验装置探究恒力做功与小车动能变化的关系.11图S5-17(1)为了能用沙和沙桶的总重力所做的功表示小车所受拉力做的功,本实验中小车质量M (选填“需要”“不需要”)远大于沙和沙桶的总质量m.(2)图乙为实验得到的一条清晰的纸带,A 、B 、C 、D 、E 、F 、G 是纸带上7个连续的点,s AD = cm .已知电源频率为50Hz,则打点计时器在打D 点时纸带的速度v= m/s(保留两位有效数字).(3)该同学画出小车动能变化ΔE k 与拉力对小车所做的功W 的关系图像,由于实验前遗漏了平衡摩擦力这一关键步骤,他得到的实验图线(实线)应该是图S5-18中的 (填选项字母).图S5-18。