物理专题五 机械能 实验五 探究动能定理

实验五探究动能定理实验准备实验目的1探究外力对物体做功与物体速度变化的关系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实验原理条数增加打点计时器探究功与物体动能变化的关系，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，可用如图 S5-1 所示的装置进行实验，通过增加橡皮筋的_使橡皮筋对小车做的功成倍_，再通过_和纸带来测量每次实验后小车的末速度 v.图 S5-1实验器材打点计时器、纸带、复写纸、小车(带小钩)、电源、导线、砝码、56 条完全相同的橡皮筋、刻度尺、长木板、铁钉等实验过程实验步骤平衡摩擦力1按如图 S5-1 所示将实验仪器安装好，同时_2先用_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_，将这一组数据记入表格1W3用_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_，测出小车获得的速度 v2，将数据记入表格22W4用 3 条、4 条橡皮筋做实验，用同样的方法测出橡皮筋对小车做的功和小车获得的速度，记入表格5观察测得数据进行估计，大致判断两个量可能的关系，然后以 W 为纵坐标，以 v2(或 v)为横坐标作图，寻找两者的关系实验结论从实验结果看出，功W与速度v的平方成正比，即Wv2.【基础检测】(2017 年槐荫区期末)某实验小组采用如图 S5-2 所示的装置“探究恒力做功与物体动能变化的关系”提供的实验器材：电火花打点计时器及纸带、沙桶、细沙、细线、小车及砝码、一端带滑轮的长木板及垫块图 S5-2(1)为完成此实验，还需要的器材是_(填下列仪器前的字母代号)A天平B秒表C毫米刻度尺(2)实验时，为了方便计算合力的功，使小车所受的合力大小等于沙和沙桶的总重力为此，一方面要消除摩擦力的影响；另一方面还应使沙和沙桶的质量 _( 填“远小于”或“远大于”)小车和砝码的总质量答案：(1)AC (2)远小于考点1对实验基本原理和步骤的考查 重点归纳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做匀速运动，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直线运动时打的点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 典例剖析例1：某实验小组用如图 S5-3 所示装置“探究功与物体速度变化的关系”图 S5-3(1)为平衡小车运动过程中受到的阻力，应该采用下面所述方法中的_(填选项前的字母代号)A逐步调节木板的倾斜程度，让小车能够自由下滑B逐步调节木板的倾斜程度，让小车在橡皮筋作用下开始运动C逐步调节木板的倾斜程度，给小车一初速度，让拖着纸带的小车匀速下滑D逐步调节木板的倾斜程度，让拖着纸带的小车自由下滑(2)图 S5-4 是该实验小组在实验过程中打出的一条纸带，已知打点计时器连接的电源的频率为 50 Hz，则橡皮筋恢复原长时小车的速度为_m/s(计算结果保留 3 位有效数字)图 S5-4答案：(1)C (2)1.39(1.381.40 均正确)【考点练透】1(2016 年重庆第一中学检测)用如图 S5-5 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.甲丙乙图 S5-5(1)实验中轨道应倾斜一定角度，这样做的目的是_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：测量木板、遮光条的总质量 M，测量两遮光条的距离 L；按图甲正确连接器材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 t1、t2.则遮光条 B、A 通过光电门的过程中木板动能的变化量Ek _ ， 合外力对木板做功W _，(用字母 M、t1、t2、d、L、F 表示)在小桶中增加沙子，重复的操作比较 W、Ek 的大小，得出实验结论考点 2实验数据的处理及误差分析 重点归纳1数据分析(1)小车速度的求法：实验获得如图 S5-6 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、B 两点图 S5-6橡皮筋条数位移s/m时间t/s速度v/(ms1)速度的平方v2/(m2s2) 典例剖析例 2：如图 S5-7 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 S5-7(1) 除了图中的已给出的实验器材外，还需要的器材有_(2)平衡摩擦后，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.项目橡皮筋做的功10个间距的距离x/m10个间距的时间T/s小车获得的速度vn/(ms1)小车速度的平方v/(m2s2)第1次W0.2000.2第2次_0.2800.2第3次_0.3000.2第4次_0.4000.2第5次_0.4500.2(4)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_，请你根据表中测定的数据在如图 S5-8所示的坐标系中作出相应的图象验证理论的正确性图 S5-8答案：(1) 刻度尺(2) 点距均匀(3)2W3W4W5W(4)vn如图 S5-9 所示图 S5-92题后反思：1.实验器材的选用对应第(1)题只要应用电磁打点计时器打纸带的实验，与打点计时器相关的器材，如：学生电源、导线、复写纸、纸带必须有，处理纸带时，为测量计时点间距，还应有刻度尺2数据处理的方法对应第(2)(3)题(1)纸带上点间距相等部分对应橡皮筋松弛后小车获得的末速度(2)因完全相同的橡皮筋，拉伸相同的长度，故橡皮筋对小车做的总功与橡皮筋条数成正比3利用图象探究物理量间的关系对应第(4)题(1)利用图象探究物理量间的关系时，首先确定横、纵坐标轴对应的物理量及单位(2)根据表中数据确定横、纵坐标轴的标度(3)认真描出各坐标点(4)连线时要注意连线原则，偏离直线较远的点要舍去【考点练透】2某同学利用如图 S5-10 所示的装置探究功与速度变化的关系图 S5-10A小物块在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；B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、M4C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 mB橡皮筋的原长 xC橡皮筋的伸长量xD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)将几次实验中橡皮筋对小物块做的功分别记为 W1、W2、W3小物块抛出点到落地点的水平距离分别记为 L1 、L2 、L3若功与速度的平方成正比，则应以 W 为纵坐标、_为横坐标作图，才能得到一条直线(3)若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”)(3)由于仪器本身不精确，或实验方法粗略，或实验原理不完善而产生的误差属于系统误差实验中由于小物块与桌面之间的摩擦不能忽略而引起的误差属于系统误差答案：(1)ADE (2)L2(3)系统误差考点 3实验的改进与创新 重点归纳1实验器材的改进，使用拉力传感器和速度传感器图 S5-112实验方案的改进(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，也可探究动能定理这时必须保证小车与水平面上各处之间的动摩擦因数相同 典例剖析例3：某学习小组利用如图 S5-12 所示的装置验证动能定理图 S5-12(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 x_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t1 和t2，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”)答案：(1)50.00 (2)滑块、挡光条和拉力传感器的总质量 M(3)否题后反思：1实验器材的创新对应题干部分(1)利用气垫导轨替代长木板，实验中不必再平衡滑块的摩擦力(2)利用光电门测量滑块运动的速度更准确(3)利用力传感器测量细绳的拉力更方便2实验原理的创新对应第(2)题(1)实验研究滑块通过两光电门之间的过程中合外力做功与动能改变量的关系，研究对象为滑块、挡光条和拉力传感器组成的整体(2)因用拉力传感器直接测细绳拉力大小，故不必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【考点练透】3(2016 年新课标卷)某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图 S5-13 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图 S5-13(1)实验中涉及下列操作步骤：把纸带向左拉直松手释放物块接通打点计时器电源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_(填代表步骤的序号)(2)图 S5-14 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 Hz.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图 S5-14答案：(1)(2)1.29 M