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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
