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1、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 条等长橡皮筋、刻度尺、长木板、铁钉等.实验过程实验步骤平衡摩擦力11.按如图 S5-1 所示将实
2、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.W3.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.24.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 Wv2.2W【基础检测】1.(多选,20
3、15 年广东揭阳一中、金山中学、广大附中联考)用如图 S5-2 所示装置做“探究做功与物体速度变化关系”的实)验时(重力加速度 g 取 10 m/s2),下列说法正确的是(图 S5-2A.通过改变橡皮筋的条数改变拉力做功的数值B.通过改变橡皮筋的长度改变拉力做功的数值C.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D.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E.该实验操作前必须要平衡小车受到的摩擦力答案:ACE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
4、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.典例剖析例 1:在“探究恒力做功与动能改变的关系”实验中(装置如图 S5-3 甲所示):甲乙图 S5-3(1)下列说法哪一项是正确的()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)如图乙所示是实验中获得的一条纸带的一部分,选取 O、A、B、C 为计数点,已知打
5、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(计算结果保留3 位有效数字).答案:(1)C (2)0.653【考点练透】1.(2016 年重庆第一中学检测)用如图 S5-4 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 S5-4(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
6、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.
7、(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.测得多组 F、t1、t2轴上的截距为 b,直线的斜率为 k,求解_(用字母b、d、L、k、g 表示).间的距离 s,则 v (其中 T 为打点周期).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 S5-5 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 S5-5(2)实验数据记录:建立上述表格,求出 v2 值.(3)在坐标纸上分别作出 W-v 和 W-v2 图线,以 1 条橡皮筋做的功为单位.橡皮筋条数位移s/m时间t/s速度v/(
8、ms1)速度平方v2/(m2s2)2.误差分析(1)橡皮筋的粗细不一致,导致做的功与条数不成正比;(2)平衡摩擦力时,木板倾角过大或过小;(3)测量纸带上各点之间的间距时有误差;(4)纸带上的点没有对应小车匀速运动时刻.典例剖析例 2:如图 S5-6 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 S5-6(1)除了图
9、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小车速度的平方v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 S5-7所示的坐标系中作出相应的
10、图象验证理论的正确性.图 S5-7答案:(1)刻度尺 (2)点距均匀(3)2W3W 4W5W(4) 如图 S5-8 所示图 S5-8备考策略: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
11、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.(2016 年四川资阳模拟)某兴趣小组准备探究“合外力做功和物体速度变化的关系”,实验前组员们提出了以下几种猜想:为了验证猜想,他们设计了如图 S5-9 甲所示的实验装置.PQ 为一块倾斜放置的木板,在 Q 处固定一个速度传感器(用来测量物体每次通过 Q 点的速度).在刚开始实验时,小刚同学提出“不需要测出物体质量,只要测出物体初始位置到速度传感器的距离 L 和读出速度传感器的读数 v 就行了”,大家经过讨论采纳了小刚的建议.甲乙图 S5-9
12、(1)请你说明小刚建议的理由:_.(2)让物体分别从不同高度无初速释放,测出物体初始位置到速度传感器的距离 L1、L2、L3、L4,读出物体每次通过 Q点的速度 v1、v2、v3、v4,并绘制了如图乙所示的 L-v 图象.若为了更直观地看出 L 和 v 的变化关系,他们下一步应该作出_.(3)实验中,木板与物体间摩擦力_(填“会”或“不会”)影响探究的结果.解析:(1)若只有重力做功,则mgLsin mv2,等号的两擦力做功,则(mgsinmgcos)L mv2,等号的两边都有m,边都有 m,可以约掉,故不需要测出物体的质量.若是重力和摩也可以约掉,故不需要测出物体的质量.(2)采用表格方法记
13、录数据,合理绘制的 L-v 图象是曲线,不能得出结论 Wv2.为了更直观地看出 L 和 v 的变化关系,应该绘制 L- v2 图象.故选 A.(3)重力和摩擦力的总功 W 也与距离 L 成正比,因此不会影响探究的结果.答案:(1)根据动能定理列出方程式,可以简化约去质量 m(2)A (3)不会考点 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如图 S5-10 所示,将拉力传感器固定在小车上,平衡小车的摩擦力,拉力传感器可以记录小车受到的拉力大小,在水平桌面上相距一定距离 x 的 A、B 两点各安装一个速度传感器,分别记录小车通过 A、B 点时的速度大小,改变钩码的
14、数量,图 S5-102.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.资料得知,弹簧的弹性势能 Ep kx2,其中k是弹簧的劲度系典例剖析例 3:为了“探究外力做功与物体动能变化的关系”,查数,x 是弹簧长度的变化量.某同学就设想用压缩的弹簧推静止的小球(质量为 m)运动来探究这一问题.为了研究方便,把小球放在水平桌面上做实验,让小球在弹力作用下运动,即只有弹簧弹力做功.该同学设计实验如下:(1)首先进行如图 S5-11
15、 甲所示的实验:将轻质弹簧竖直挂起来,在弹簧的另一端挂上小球,静止时测得弹簧的伸长量为d.甲乙图 S5-11在此步骤中,目的是要确定物理量_,用 m、d、g表示为_.(2)接着进行如图乙所示的实验:将这根弹簧水平放在桌面上,一端固定,另一端被小球压缩,测得压缩量为 x,释放弹簧后,小球被推出去,从高为 h 的水平桌面上抛出,小球在空中运动的水平距离为 L.小球的初动能 Ek1_.小球离开桌面的动能 Ek2_.弹簧对小球做的功 W_(用 m、x、d、g 表示).对比 W 和 Ek2Ek1就可以得出“外力做功与物体动能变化的关系”.备考策略:1.实验原理的创新对应题干部分(1)弹簧弹力对物体做的功
16、为合外力的功.(2)物体的动能增量由平抛运动规律计算得出.2.实验目的的创新对应第(1)题由物体的平衡条件求解弹簧的劲度系数.3.数据处理方法的创新对应第(2)题4.本实验还可以从以下两个方面创新(1)利用速度传感器测量小球运动的速度.(2)利用拉力传感器测出绳对小球的拉力作为小球的合外力.(3)利用光电门测量物体运动的速度.【考点练透】3.某同学根据机械能守恒定律,设计实验探究“弹簧的弹性势能与压缩量的关系”.(1)如图 S5-12 甲所示,将轻质弹簧下端固定于铁架台,在上端的托盘中依次增加砝码,测量相应的弹簧长度,部分数据如下表甲所示.由数据算得劲度系数 k_N/m.(g 取 9.80m/
17、s2)甲乙丙图 S5-12砝码质量/g50100150弹簧长度/cm8.627.636.66(2)取下弹簧,将其一端固定于气垫导轨左侧,如图乙所示;调整导轨使滑块自由滑动时,通过两个光电门的速度大小_.(3)用滑块压缩弹簧,记录弹簧的压缩量 x;释放滑块,记录滑块脱离弹簧后的速度 v.释放滑块过程中,弹簧的弹性势能转化为_.(4)重复(3)中的操作,得到 v 与 x 的关系如图丙所示,由图可知,v 与 x 成_关系.由上述实验可得结论:对同一根弹簧,弹性势能与弹簧的_成正比.(2)要调整气垫导轨水平,使滑块自由滑动时,通过两个光电门的速度相等.(3)根据机械能守恒定律,释放滑块后,弹簧的弹性势能转化为滑块的动能. 答案:(1)50 (2)相等 (3)滑块的动能(4)正比 压缩量的平方