实验5探究动能定理

单击此处编辑母版文本样式,第五章 机械能及其守恒定律,实验五探究动能定理,一、实验目的,1,探,究外力对物体做功与物体速度的关系,2,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,二、实验原理,1,不,是直接测量对小车做功，而是通过改变橡皮筋条数确定对小车做功,W,、,2,W,、,3,W,.,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,W,v,曲线，分析这条曲线，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,三、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,条等长的橡皮筋、刻度尺,四、实验步骤,1,按,如图所示将实验仪器安装好，同时平衡摩擦力,2,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,v,1,，设此时橡皮筋对小车做的功为,W,1,，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，这样橡皮筋对小车做的功为,W,2,，测出小车获得的速度,v,2,，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,2,实验数据记录,橡皮筋条数,位移,x,/m,时间,t,/s,速度,v,(m,s,1,),速度平方,v,2,(m,2,s,2,),3.,实验数据处理及分析：在坐标纸上,(,右下图,),画出,W,v,和,W,v,2,图线,(“,W,”,以一根橡皮筋做的功为单位,),4,实验结论：从图象可知功与物体速度变化的关系为,W,v,2,.,六、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,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,七、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,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,八、实验改进,本,实验中物体运动的速度可以使用速度传感器直接采集，比用打点计时器方便快捷且误差较小；实验情景也可加以改进，如研究物体以不同的初速度沿粗糙水平面滑动的距离，得出物体的初动能大小与克服摩擦力做功的情况，这时必须保证物体与水平面上各处的动摩擦因数相同,.,(2013,福建理综，,19(1),在,“,探究恒力做功与动能改变的关系,”,实验中,(,装置如图甲,),：,实验原理及误差分析,(1),下列说法哪一项是正确的,_,(,填选项前字母,),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,3,位有效数字,),C,0.653,(2013,四川理综，,8(2),如图甲所示，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：,实验数据的处理,(1),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。,匀速直线,(2),连接细绳及托盘，放入砝码，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,、,G,.,实验时小车所受拉力为,0.2 N,，小车的质量为,0.2 kg.,请计算小车所受合外力做的功,W,和小车动能的变化,E,k,.,补填表中空格,(,结果保留至小数点后第四位,).,分析上述数据可知：在实验误差允许的范围内,W,E,k,.,与理论推导结果一致。,(3),实验前已测得托盘质量为,7.710,3,kg,，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/s,2,，结果保留至小数点后第三位,.),O,B,O,C,O,D,O,E,O,F,W,/J,0.0432,0.0572,0.0734,0.0915,E,k,/J,0.0430,0.0570,0.0734,0.0907,0.1115,0.1105,0.015,(2013,重庆理综，,6(1),我国舰载飞机在,“,辽宁舰,”,上成功着舰后，某课外活动小组对舰载飞机利用阻拦索着舰的力学问题很感兴趣他们找来了木板、钢球、铁钉、橡皮条以及墨水，制作了如图所示的装置，准备定量研究钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系要达到实验目的，需直接测量的物理量是钢球由静止释放时的,_,和在橡皮条阻拦下前进的距离，还必须增加的一种实验器材是,_,忽略钢球所受的摩擦力和空气阻力，重力加速度已知，根据,_,定律,(,定理,),，可得到钢球被阻拦前的速率,实验创新设计,高度,刻度尺,机械能守恒,1,用如图所示的装置做,“,探究动能定理,”,的实验时，下列说法正确的是,(,),A,为了平衡摩擦力，实验中可以将长木板的左端适当垫高，使小车拉着穿过打点计时器的纸带自由下滑时能保持匀速运动,B,每次实验中橡皮筋的规格要相同，拉伸的长度要一样,C,可以通过改变橡皮筋的条数来改变拉力做功的数值,D,可以通过改变小车的质量来改变拉力做功的数值,E,实验中要先释放小车再接通打点计时器的电源,F,通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的最大速度,G,通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的平均速度,ABCF,2,在,“,探究功与物体速度变化关系,”,的实验中，每次选取纸带后，我们应选取纸带上的哪些点来求小车的速度,(,),A,间距均匀的,B,间距不均匀的,C,间距均匀的与不均匀的都可,D,最好是间距均匀的，若纸带上没有间距均匀的，也可用间距不均匀的,A,3,(2014,天津耀华中学模拟,),某同学在实验室用如图所示的装置来研究有关做功的问题,(1),如图甲，在保持,M,m,条件下，可以认为绳对小车的拉力近似等于砂和砂桶的总重力，在控制小车质量不变的情况下进行实验在实验中，该同学先接通打点计时器的电源，再放开纸带，已知交流电的频率为,50 Hz.,图乙是在,m,100 g,、,M,1 kg,情况下打出的一条纸带，,O,为起点，,A,、,B,、,C,为过程中,3,个相邻的计数点，相邻的计数点之间有,4,个点没有标出，有关数据如图乙，则打,B,点时小车的动能,E,k,_J,，从开始运动到打,B,点时，绳的拉力对小车做的功,W,_ J,(,保留,2,位有效数字，,g,9.8 m/s,2,),(2),在第,(1),问中，绳的拉力对小车做的功,W,大于小车获得的动能,E,k,，请你举出导致这一结果的主要原因：,(,写出一种即可,)_.,0.50,0.51,摩擦没有完全抵消；砂与砂桶的重力大于绳的拉力,4,(2014,泉州质检,),某同学利用图甲的实验装置做,“,探究动能定理,”,的实验。在尽量减小摩擦阻力的情况下，先接通打点计时器的电源，再释放纸带，让质量,m,1.00 kg,的重物由静止下落，在纸带上打出一系列的点，如图乙所示，,A,、,B,、,C,分别为所选取的计数点，且,O,为开始打出的第一点，,OA,之间有,若干点未标出，相邻计数点的时,间间隔为,0.02 s,，重力加速度,g,取,9.80 m/s,2,.,(1),释放纸带前，纸带的,_(,选填,“,O,”,或,“,C,”,),端在上面；,(2),重物从,O,运动到,B,的过程中，动能的变化量,E,k,_ J(,取两位有效数字,),；,(3),列举一种能有效减小实验误差的做法,_,C,0.67,多次测量取平均值,5,某实验小组采用如图所示的装置探究功与速度变化的关系，小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿木板滑行打点计时器工作频率为,50 Hz.,(1),实验中先后用同样的橡皮筋,1,条、,2,条、,3,条、,，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小车把第,1,次只挂,1,条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功记为,W,1,，第,2,次挂,2,条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功为,2,W,1,，,；橡皮筋对小车做功后而使小车获得的速度可由打点计时器打出的纸带测出根据第,4,次的纸带,(,如图所示,),求得小车获得的速度为,_m/s.,2,(2),若根据多次测量数据画出的,W,v,草图如图所示，根据图线形状，对,W,与,v,的关系作出的猜想，如果猜想,W,v,2,是正确的，则画出的,W,v,2,图象应是,_,(3),在本实验中你认为影响实验效果的可能原因是,_,(,只要回答出一种原因即可,),过原点的一条直线,影响实验效果的可能原因是橡皮筋粗细不均匀，木板倾斜不够或太过倾斜等,6,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：,测量,_,和拉力传感器的总质量,M,1,；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；,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,在小车中增加砝码，或,_,，重复,的操作,小车,释放小车,减少砝码,(2),表格中是他们测得的几组数据，其中,M,是,M,1,与小车中砝码质量之和，,|,v,v,|,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,E,，,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,E,3,_,，,W,3,_.(,结果保留三位有效数字,),数据记录表,次数,M,/kg,|,v,v,|/(m/s),2,E,/J,F,/N,W,/J,1,0.500,0.760,0.190,0.400,0.200,2,0.500,1.65,0.413,0.840,0.420,3,0.500,2.40,E,3,1.220,W,3,4,1.000,2.40,1.20,2.420,1.21,5,1.000,2.84,1.42,2.860,1.43,0.600 J,0.610 J,(3),根据表格，请在下图中的方格纸上作出,E,W,图线,E/J,W/J,0,1.50,1.25,1.00,0.75,0.50,0.25,0.25,0.50,0.75,1.00,1.25,1.50,