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1、实验五 探究动能定理,实验基础,核心探究,实验基础 解读实验萃取精华,注意事项 1.平衡摩擦力.由于我们用绳的拉力确定对小车做的功,因此应设法排除其他力的影响,实际操作中是采用把木板的一端垫高、用小车重力的分力和阻力平衡的方法来消除阻力的影响. 2.尽量减小小车的加速度.因为砝码和小盘拉着小车加速运动时,砝码和小盘处于失重状态,小车受到的拉力小于砝码和小盘的总重力.为减小这一系统误差,应使小车的加速度尽量小,也就是实验中必须满足砝码和小盘的总质量远小于小车的质量.,误差分析 1.实验中我们把拉力对小车做的功与砝码和小盘总重力所做的功认为是一样的,但实际上二者并不相同,这是因为砝码和小盘的总重力
2、与绳的拉力是不一样的. 2.在mM时,细绳的拉力近似等于砝码和小盘的总重力,误差较小;m越大,误差越大.因此实验中应使小车的质量远大于砝码和小盘的总质量.,核心探究 通法悟道拓宽思路,探究点一 基础性实验,【典例1】 (2017江苏卷,10)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 Hz的交流电.,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. 答案:(1)小车做匀速运动,(1)挂钩码前,为了消除摩擦力的影响,应调节木板
3、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x,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v1 = m/s.,答案:(2)0.228,(3)将钩码的重力视为小车受到的拉力,取g=9.80 m/s2,利用W=mgx算出拉力对小车做的功W.利用Ek= Mv2算出小车动能,并求出动能的变化量Ek.计算结果见下表.,请根据表中的数据,在方格纸上作出Ek-W图像.,解析:(3)根据表格中的数据,描点作图. 答案:(3)如图所示,答案:(4)
4、0.093,(4)实验结果表明,Ek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.,规律总结 实验数据的处理方法 处理实验数据的方法有平均值法、列表法和图像法,本题主要采用了后两种方法处理实验数据.列表法的优点是简明表示出有关物理量之间的关系,便于检查测量结果和运算是否合理,有助于发现和分析问题,而且列表法还是图像法的基础.图像法的优点是通过作图可以找到或反映物理量之间的变化关系,并便于找出其中的规律,确定对应量的函数关系.,题组冲关,1.(2018江南十校联考)如图(甲)所示是某研究性学习小组的同学做探究“橡皮筋做功
5、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一沿木板滑行的情形.这时,橡皮筋对小车做功记为W.当用2条、3条、n条完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、第n次实验时,每次橡皮筋都被拉伸到同一位置释放.小车每次实验中获得的速度可以由打点计时器所打的纸带测出,图(乙)为某次实验中打出的纸带.,解析:(1)要计算某点速度的大小,必须要测量纸带上计数点间的距离,除了题图中已给出的实验器材和电源外,还需要的器材是刻度尺. (2)实验时为了使小车只在橡皮筋作用下运动,应采取的措施是把放打点计时器一端的木板垫起适当的高度以平衡摩擦力. (3)小车最终做匀速运动,因此应选用相邻两计数点
6、间隔相等的部分. 答案:(1)刻度尺 (2)把木板的左端垫起适当的高度以平衡摩擦力 (3)每相邻两点之间距离相等(或点分布均匀),(1)除了图(甲)中已给出的实验器材和电源外,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分布并不都是均匀的,为了测量小车最终获得的末速度,应选用纸带的 部分进行测量.,(4)下面是本实验的数据记录及数据处理表.,从理论上讲,橡皮筋做的功Wn与物体获得的速度vn之间的关系是Wn ,请你运用表中的数据在如图(丙)所示的坐标系中作出相应的图像,以验证理论的正确性.,2.(2017北京卷,21)如图1所
7、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,解析:(1)打点计时器是一种使用交流电源的仪器,选项A错误,B正确; 答案:(1)B,(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,解析:(2)
8、平衡摩擦力和其他阻力的正确操作方法是垫高长木板固定打点计时器的一端,若小车拖着的纸带打点间距相等,则表明小车在长木板上做匀速运动,此时重力沿斜面向下的分力正好平衡摩擦力和其他阻力. 答案:(2)A B,(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v2为纵坐标,W为横坐标,利用实验
9、数据做出如图3所示的v2-W图像.由此图像可得v2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v2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 .,答案:(4)v2=4.7W 质量,(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v2-W关系的是 .,探究点二 创新性实验,【典例2】 (2016全国卷,22)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
10、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.,高考创新实验例析,(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 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.,核心点拨 分析纸带,根据纸带上距离的变化可明确物块何时离开弹簧,再
11、根据平均速度法可求得脱离时的速度;根据对应的长度可明确速度大小,从而比较弹性势能大小.,解析:(1)启动打点计时器前,应把纸带拉直以减小因纸带受到摩擦力而产生的误差.实验时应先接通打点计时器的电源,再释放物块.故正确的操作顺序是.,答案:(1) (2)1.29 M,【创新/改进点分析】 1.实验方案的改进:本实验是把探究功和动能变化关系的实验拓展为轻弹簧的弹性势能与动能变化关系. 2.实验器材的改进:将橡皮筋改为弹簧.,【典例3】 (2013全国卷,22)某同学利用下述装置对轻质弹簧的弹性势能进行探究:一轻质弹簧放置在光滑水平桌面上,弹簧左端固定,右端与一小球接触而不固连:弹簧处于原长时,小球
12、恰好在桌面边缘,如图(a)所示.向左推小球,使弹簧压缩一段距离后由静止释放:小球离开桌面后落到水平地面.通过测量和计算,可求得弹簧被压缩后的弹性势能.,回答下列问题: (1)本实验中可认为,弹簧被压缩后的弹性势能Ep与小球抛出时的动能Ek相等.已知重力加速度大小为g.为求得Ek,至少需要测量下列物理量中的 (填正确答案标号). A.小球的质量m B.小球抛出点到落地点的水平距离s C.桌面到地面的高度h D.弹簧的压缩量x E.弹簧原长l0,答案:(1)ABC,(2)用所选取的测量量和已知量表示Ek,得Ek= .,(3)图(b)中的直线是实验测量得到的s-x图线.从理论上可推出,如果h不变,m
13、增加,s-x图线的斜率会 (填“增大”“减小”或“不变”);如果m不变,h增加,s-x图线的斜率会 (填“增大”“减小”或“不变”).由图(b) 中给出的直线关系和Ek的表达式可知,Ep与x的 次方成正比.,答案:(3)减小 增大 2,【创新/改进点分析】 1.实验方案的改进:通过测量小球的动能间接测量弹簧的弹性势能. 2.数据处理的改进:利用给出的s-x图像,推出Ep与x的比例关系.,模拟创新实验冲关,1.(2018辽宁大连模拟)某同学用如图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,它们均置于水平放置的一端带有定滑轮的
14、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.,(1)该同学在一条比较理想的纸带上,依次选取0,1,2,3,4,5共六个计数点,分别测量后5个计数点与计数点0之间的距离,并计算出它们与0点之间的速度平方差v2(v2=v2- ),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图像.若测出小车质量为0.2 kg,结合图像可求得小车所受合外力的大小为 N.,解析:(1)将表中的数据分别描在题图坐标系中,然后在图中用平滑曲线连接,并且使尽可能多的点分布在曲线上,或对称分布在直线两侧,如图所示.答案:(1)图像见解析
15、0.25,解析:(2)主要原因是长木板对小车存在摩擦力;应将木板左端垫高,以平衡摩擦力,减小误差. 答案:(2)长木板对小车存在摩擦力 将木板左端垫高,以平衡摩擦力,(2)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 .,【创新/改进点分析】 1.实验原理的创新:可用弹簧测力计直接测绳拉力大小,故不必满足小车质量远大于悬挂物的质量. 2.数据处理的改进:利用图像的斜率求相关物理量.,2.(2018广州模拟)用如图(甲)所示的实验装置完成“探究动能定理”实验.请补充完整下列实验步骤的相关内容:,(1)用天平测量小车和遮光片
16、的总质量M、砝码盘的质量m0;用游标卡尺测量遮光片的宽度d,游标卡尺的示数如图(乙)所示,其读数为 cm;按图(甲)所示安装好实验装置,用米尺测量两光电门之间的距离s; (2)在砝码盘中放入适量砝码;适当调节长木板的倾角,直到轻推小车,遮光片先后经过光电门A和光电门B的时间相等;,解析:(1)由于游标卡尺是20分度,所测遮光片的宽度应是主尺读数与游标尺两读数之和,即5 mm+40.05 mm=5.20 mm=0.520 cm. 答案:(1)0.520,(3)取下细线和砝码盘,记下 (填写相应物理量及其符号); (4)让小车从靠近滑轮处由静止释放,用数字毫秒计时器分别测出遮光片经过光电门A和光电门B所用的时间tA和tB;,
