高考物理创新案例(人教)实验六 探究动能定理

欢迎进入物理课堂 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 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 100g 200g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 实验操作1 实验步骤 1 按如图实 6 1所示将实验仪器安装好 同时平衡摩擦力 图实 6 1 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 这样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 图实 6 2 2 实验数据记录 3 实验数据处理及分析 观察法 当橡皮筋的条数成倍增加 即合外力做的功成倍增加时 观察小车的速度或速度的平方如何变化 有何变化规律 图象法 在坐标纸上 图实 6 3 画出W v或W v2图线 W 以一根橡皮筋做的功为单位 4 实验结论 从图象可知做功与物体速度变化的关系为W v2 图实 6 3 五 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 六 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 例1 探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系 实验装置如图实 6 4所示 实验主要过程如下 图实 6 4 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W v草图 4 分析W v图象 如果W v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 等关系 以下关于该实验的说法中有一项不正确 它是 A 本实验设法让橡皮筋对小车做的功分别为W 2W 3W 所采用的方法是选用同样的橡皮筋 并在每次实验中使橡皮筋拉伸的长度保持一致 当用1条橡皮筋进行实验时 橡皮筋对小车做的功为W 用2条 3条 橡皮筋并在一起进行第2次 第3次 实验时 橡皮筋对小车做的功分别是2W 3W B 小车运动中会受到阻力 补偿的方法 可以使木板适当倾斜 C 某同学在一次实验中得到一条记录纸带 纸带上打出的点 两端密 中间疏 出现这种情况的原因可能是没有使木板倾斜或倾角太小 D 根据记录纸带上打出的点 求小车获得的速度的方法是以纸带上第一点到最后一点的距离来进行计算 解析 放开小车之后 小车在橡皮筋的作用下开始加速运动 等到橡皮筋与小车分离之后 小车做匀速直线运动 本实验中测的速度是小车匀速运动的速度 而不是整个过程的平均速度 因此研究纸带上打下的点一定是那些均匀分布的点 答案 D 例2 某同学用如图实 6 5所示的实验装置探究小车动能变化与合外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 它们均置于水平的一端带有定滑轮的足够长的木板上 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 图实 6 5 1 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O点 顺次选取5个点 分别测量这5个点到O之间的距离 并计算出它们与O点之间的速度平方差 v2 v2 v2 v02 填入下表 请以 v2为纵坐标 以x为横坐标 在方格纸中作出 v2 x图象 若测出小车质量为0 2kg 结合图象可求得小车所受合外力的大小为 N 图实 6 6 2 若该同学通过计算发现小车所受合外力小于测力计读数 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 1 根据表中数据在 v2 x坐标系中描点 然后用直线连接各点 如图实 6 7所示 图实 6 7 2 当小车受到向左的阻力Ff时 小车的合外力F合 FC Ff FC 如果使导轨倾斜一定角度平衡了小车的摩擦阻力 小车的合外力就等于测力计的读数FC了 答案 1 图象见解析0 25 2 小车滑行时所受摩擦阻力较大使木板倾斜一定的角度以平衡摩擦力 1 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 解析 橡皮筋完全恢复后不再有力对小车做功 小车做匀速运动 纸带上的点间距是均匀的 故A对 B C错 若纸带上没有间距均匀的点 说明纸带太短 橡皮筋还没完全恢复原状纸带已完全通过打点计时器 在这种情况下应选用更长的纸带 或者是因为摩擦力没被完全平衡 需重新平衡摩擦力 故D错 答案 A 2 在 探究功与物体速度变化的关系 实验中 下列叙述正确的是 图实 6 8 A 实验中所用的橡皮筋原长必须相同 粗细可以不同B 实验时 不需要使每次实验中橡皮筋伸长的长度都要相同C 放小车的长木板应该尽量使其水平D 在正确操作下 小车释放后先做匀加速运动 再做匀速运动 解析 橡皮筋要求完全相同 A错 长木板应抬高后端 以平衡摩擦力 C错 由实验操作原理及步骤知D正确 B错误 答案 D 3 2011 苏州模拟 在探究恒力做功与物体的动能改变量的关系的实验中备有下列器材 A 打点计时器 B 天平 C 秒表 D 低压交流电源 E 电池 F 纸带 G 细线 砝码 小车 砝码盘 H 薄木板 1 其中多余的器材是 填对应字母 缺少的器材是 2 测量时间的工具是 测量质量的工具是 填对应字母 3 如图实 6 9是打点计时器打出的小车 质量为m 在恒力F作用下做匀加速直线运动的纸带 测量数据已用字母表示在图中 打点计时器的打点周期为T 请分析 利用这些数据能否验证动能定理 若不能 请说明理由 若能 请说明出做法 并对这种做法做出评价 图实 6 9 答案 1 C E毫米刻度尺 2 AB 3 见解析 4 某同学为探究 恒力做功与物体动能改变的关系 设计了如下实验 他的操作步骤是 连接好实验装置如图实 6 10所示 将质量为200g的小车拉到打点计时器附近 并按住小车 在质量为10g 30g 50g的三种钩码中 他挑选了一个质量为50g的钩码挂在拉线的挂钩P上 释放小车 打开打点计时器的电源 打出一条纸带 图实 6 10 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 第一个点到第N个点的距离为40 0cm 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 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有 答案 1 0 1960 100 2 小车质量没有远大于钩码质量 没有平衡摩擦力 操作错误 先放小车后开电源 5 某实验小组采用如图实 6 11所示的装置来探究 功与速度变化的关系 实验中 小车碰到制动装置时 钩码尚未到达地面 实验的部分步骤如下 图实 5 11 将一块一端带有定滑轮的长木板固定在桌面上 在长木板的另一端固定打点计时器 把纸带穿过打点计时器的限位孔 连在小车后端 用细线跨过定滑轮连接小车和钩码 把小车拉到靠近打点计时器的位置 接通电源 从静止开始释放小车 得到一条纸带 关闭电源 通过分析小车位移与速度的变化关系来研究合外力对小车所做的功与速度变化的关系 图实 6 12是实验中得到的一条纸带 点O为纸带上的起始点 A B C是纸带上的三个计数点 相邻两个计数点间均有4个点未画出 用刻度尺测得A B C到O的距离如图实 6 12所示 已知所用交变电源的频率为50Hz 问 图实 6 12 1 打B点时刻 小车的瞬时速度vB m s 结果保留两位有效数字 2 本实验中 若钩码下落高度为h1时合外力对小车所做的功为W1 则当钩码下落h2时 合外力对小车所做的功为 用h1 h2 W1表示 图实 6 13 6 利用图实 6 14 a 所示实验装置可粗略测量人吹气产生的压强 两端开口的细玻璃管水平放置 管内塞一潮湿小棉球 实验者从玻璃管的一端A吹气 棉球从另一端B飞出 测得玻璃管内部截面积S 距地面高度h 棉球质量m 开始时棉球的静止位置与管口B的距离为x 落地点C与管口B的水平距离为l 然后多次改变x 测出对应的l 画出l2 x关系图线如图 b 所示 并由此得出相应的斜率k 图实 6 14 1 若不计棉球在空中运动时的空气阻力 根据以上测得的物理量可得 棉球从B端飞出时速度v0 2 假设实验者吹气能保持玻璃管内气体压强始终为恒定值 不计棉球与管壁的摩擦 重力加速度g 大气压强p0均为已知 利用图 b 中拟合直线的斜率k可得 管内气体压强p 3 考虑到实验时棉球与管壁间有摩擦力 则 2 中得到的p与实际压强相比 填 偏大 偏小 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全