物理第五章 機械能 實驗5 探究動能定理 新人教版

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1、實驗5探究動能定理-2-一、實驗?zāi)康奶骄抗εc物體速度變化的關(guān)系。二、實驗原理(如圖所示)1.一根橡皮筋作用在小車上移動距離s做功為W。2.兩根橡皮筋作用在小車上移動距離s做功應(yīng)為 2W。3.三根橡皮筋作用在小車上移動距離s做功應(yīng)為 3W。4.利用打點計時器求出小車離開橡皮筋的速度,列表、作圖,由圖象可以確定功與速度變化的關(guān)系。-3-三、實驗器材 橡皮筋、小車、木板、 打點計時器、紙帶、鐵釘?shù)?。四、實驗步驟1.墊高木板的一端,平衡 摩擦力。2.拉伸的橡皮筋對小車做功:(1)用一條橡皮筋拉小車做功W。(2)用兩條橡皮筋拉小車做功2W。(3)用三條橡皮筋拉小車做功3W。3.測出每次做功后小車獲得的

2、速度。五、數(shù)據(jù)處理1.數(shù)據(jù)處理:在坐標紙上畫出W-v或W-v2圖線(“W”以一條橡皮筋做的功為單位)。2.實驗結(jié)論:合外力對物體做的功與物體速度變化的關(guān)系為Wv2。-4-六、注意事項1.平衡摩擦力:將木板一端墊高,使小車的重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡。方法:使小車連著紙帶并接通電源,輕推小車,由打點計時器打在紙帶上的點的均勻程度判斷小車是否做勻速運動,找到長木板的一個合適的傾角。2.選點測速:測小車的速度時,紙帶上的點應(yīng)選均勻部分的,也就是選小車做勻速運動時的部分。3.橡皮筋的選擇:橡皮筋應(yīng)選規(guī)格一樣的。力對小車做的功以一條橡皮筋做的功為單位即可,不必計算出具體數(shù)值。-5-命題點一命題點

3、二教材原型實驗教材原型實驗例1(2017甘肅涼州區(qū)期末)某學(xué)習(xí)小組做探究功與速度變化的關(guān)系的實驗如圖所示,圖中小車是在一條橡皮筋作用下彈出的,沿木板滑行,橡皮筋對小車做的功記為W0。當(dāng)用2條、3條完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次實驗時(每次實驗中橡皮筋伸長的長度都保持一致),每次實驗中小車獲得的速度根據(jù)打點計時器打在紙帶上的點進行計算。-6-命題點一命題點二(1)除了圖中已有的實驗器材外,還需要導(dǎo)線、開關(guān)、刻度尺和(選填“交流”或“直流”)電源。(2)實驗中,小車會受到摩擦力的作用,可以使木板適當(dāng)傾斜來平衡摩擦力,下面操作正確的是()A.放開小車,能夠自由下滑即可B.放開小車,能夠勻

4、速下滑即可C.放開拖著紙帶的小車,能夠自由下滑即可D.放開拖著紙帶的小車,能夠勻速下滑即可(3)若木板水平放置,小車在兩條橡皮筋作用下運動,當(dāng)小車速度最大時,關(guān)于橡皮筋所處的狀態(tài)與小車所在的位置,下列說法正確的是()A.橡皮筋處于原長狀態(tài)B.橡皮筋仍處于伸長狀態(tài)-7-命題點一命題點二(4)在正確操作的情況下,打在紙帶上的點并不都是均勻的,為了測量小車獲得的速度,應(yīng)選用紙帶的部分進行測量(根據(jù)如圖所示的紙帶回答)。答案:(1)交流(2)D(3)B(4)GJ解析:(1)打點計時器使用的是交流電源。(2)平衡摩擦力時,應(yīng)將紙帶穿過打點計時器,放開拖著紙帶的小車,小車能夠勻速下滑即可,D正確。(3)水

5、平放置木板,放開小車后,小車做加速運動,當(dāng)橡皮筋的拉力大小等于摩擦力大小時,小車的速度最大,此時橡皮筋仍處于伸長狀態(tài),B正確。(4)從紙帶上看,紙帶的GJ段打點比較均勻,所以應(yīng)選用紙帶的GJ段進行測量。-8-命題點一命題點二思維點撥(1)打點計時器需要使用交流電源。(2)小車在水平面運動時,由于受到摩擦阻力導(dǎo)致小車速度在變化,所以適當(dāng)傾斜以平衡摩擦力。(3)小車在運動過程中,所受合力為零時,速度有最大或最小值。(4)要測量最大速度,應(yīng)該選用點跡恒定的部分。點評(1)實驗中要通過傾斜木板平衡摩擦力,這與探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系中平衡摩擦力的原因是一樣的。(2)計算小車的速度時,應(yīng)選紙帶上點距均勻

6、的部分進行測量。(3)不直接算W和v的具體數(shù)值,而看第2次、第3次實驗中的W和v是第1次的多少倍,這樣可簡化數(shù)據(jù)的測量和處理。-9-命題點一命題點二實驗拓展創(chuàng)新實驗拓展創(chuàng)新本實驗易與其他力學(xué)知識綜合考查,出題方式靈活,往往在教材實驗基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)新情境。實驗的器材和數(shù)據(jù)處理及實驗方案都有可能進行改進和創(chuàng)新。1.實驗器材及裝置的改進-10-命題點一命題點二2.數(shù)據(jù)測量的改進 3.實驗方案的改進利用光電門和氣墊導(dǎo)軌探究功和動能的關(guān)系。-11-命題點一命題點二例2(2017北京卷)如圖1所示,用質(zhì)量為m的重物通過滑輪牽引小車,使它在長木板上運動,打點計時器在紙帶上記錄小車的運動情況。利用該裝置可以完成“

7、探究動能定理”的實驗。圖1(1)打點計時器使用的電源是(選填選項前的字母)。A.直流電源B.交流電源-12-命題點一命題點二(2)實驗中,需要平衡摩擦力和其他阻力。正確操作方法是(選填選項前的字母)。A.把長木板右端墊高B.改變小車的質(zhì)量在不掛重物且(選填選項前的字母)的情況下,輕推一下小車,若小車拖著紙帶做勻速運動,表明已經(jīng)消除了摩擦力和其他阻力的影響。A.計時器不打點B.計時器打點-13-命題點一命題點二(3)接通電源,釋放小車,打點計時器在紙帶上打下一系列點,將打下的第一個點標為O。在紙帶上依次取A、B、C若干個計數(shù)點,已知相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T。測得A、B、C各點到O點的距離為x1

8、、x2、x3如圖2所示。圖2實驗中,重物質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量,可認為小車所受的拉力大小為mg,從打O點到打B點的過程中,拉力對小車做的功W=,打B點時小車的速度v=。-14-命題點一命題點二(4)以v2為縱坐標,W為橫坐標,利用實驗數(shù)據(jù)作如圖3所示的v2-W圖象。由此圖象可得v2隨W變化的表達式為。根據(jù)功與能的關(guān)系,動能的表達式中可能包含v2這個因子;分析實驗結(jié)果的單位關(guān)系,與圖線斜率有關(guān)的物理量應(yīng)是。-15-命題點一命題點二(5)假設(shè)已經(jīng)完全消除了摩擦力和其他阻力的影響,若重物質(zhì)量不滿足遠小于小車質(zhì)量的條件,則從理論上分析,圖4中正確反映v2-W關(guān)系的是。-16-命題點一命題點二答案:(1)B

9、(2)AB(4)v2=kW,k=(4.55.0)m2s-2J-1質(zhì)量(5)A解析:(1)由打點計時器的原理可知,使用的是交流電源。(2)平衡摩擦力的原理是利用重力的下滑分力平衡阻力,故應(yīng)把長木板右端墊高。阻力包括摩擦力和紙帶與限位孔的阻力,故平衡時不掛重物,但后面要拖紙帶,故應(yīng)讓計時器打點,且根據(jù)點跡是否均勻判定是否平衡好了。(3)拉力為mg,位移為x2,則做功W=mgx2,B點速度可用AC間的平均速度代替,-17-命題點一命題點二(4)在圖上取兩點算得斜率k4.71(4.55.0均正確),故v2=kW,k=(4.55.0)m2s-2J-1。所以與斜率有關(guān)的物理量是質(zhì)量。-18-命題點一命題點

10、二思維點撥(1)打點計時器使用的都是交變電流;(2)回憶平衡摩擦力的方法,為了平衡摩擦力和阻力,應(yīng)該讓打點計時器打點;(3)根據(jù)功的定義計算拉力對小車做的功,根據(jù)中點時刻瞬時速度等于平均速度計算;(4)讀圖,從中得出兩個量的關(guān)系,并分析斜率的單位;(5)根據(jù)牛頓第二定律分析圖象。-19-命題點一命題點二例3(2017廣西玉林模擬)某學(xué)習(xí)小組利用如圖所示的裝置探究動能定理。-20-命題點一命題點二(1)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)至水平,安裝好實驗器材,從圖中讀出兩光電門中心之間的距離x= cm;(2)測量擋光條的寬度d,記錄擋光條通過光電門1和2所用的時間t1和t2,并從拉力傳感器中讀出滑塊受到的拉力F,為了

11、完成實驗,還需要直接測量的一個物理量是;(3)該實驗是否需要滿足砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量?(選填“是”或“否”)。-21-命題點一命題點二答案:(1)50.00(2)滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量(3)否解析:(1)兩光電門中心之間的距離x=70.30cm-20.30cm=50.00cm。(2)由于該實驗探究的是動能定理,故還需要知道滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量。(3)由于拉力可以通過拉力傳感器的讀數(shù)直接得到,故不需要滿足砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量。-22-命題點一命題點二例4(2017寧夏金鳳區(qū)四模)某興趣小組想通過物塊

12、在斜面上運動的實驗探究合外力做功和物體速度變化的關(guān)系。實驗開始前,他們提出了以下幾種猜想:W,Wv,Wv2。他們的實驗裝置如圖甲所示,PQ為一塊傾斜放置的木板,在Q處固定一個速度傳感器(用來測量物體每次通過Q點時的速度),每次實驗,物體從不同初始位置處由靜止釋放。-23-命題點一命題點二同學(xué)們設(shè)計了以下表格來記錄實驗數(shù)據(jù)。其中L1、L2、L3、L4代表物體分別從不同初始位置處無初速釋放時初始位置到速度傳感器的距離,v1、v2、v3、v4表示物體每次通過Q點的速度。他們根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制了如圖乙所示的L-v圖象,并得出結(jié)論Wv2。他們的做法(選填“合適”或“不合適”),你有什么好的建議?建議:。在

13、此實驗中,木板與物體間摩擦力的大小(選填“會”或“不會”)影響探究出的結(jié)果。-24-命題點一命題點二答案:不合適應(yīng)進一步繪制L-v2圖象不會解析:(1)采用表格方法記錄數(shù)據(jù),合理繪制的L-v圖象是曲線,不能得出結(jié)論Wv2。為了更直觀地看出L和v的變化關(guān)系,應(yīng)該繪制L-v2圖象。(2)重力和摩擦力的總功W也與距離L成正比,因此不會影響探究的結(jié)果。思維點撥通過實驗來探究合外力做功和物體速度變化的關(guān)系。每次實驗物體從不同初位置處靜止釋放,量出初位置到速度傳感器的位移、讀出物體到傳感器位置的速度。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)列出數(shù)據(jù)表并描點作出圖象,從而找到位移與速度變化的關(guān)系,在運動過程中,由于物體受力是恒定的,所

14、以得出合外力做功與物體速度變化的關(guān)系。因此在實驗中物體與木板間的摩擦力不會影響探究的結(jié)果。-25-1.如圖是某研究性學(xué)習(xí)小組的同學(xué)做探究橡皮筋做功和物體速度變化的關(guān)系的實驗,圖中是小車在一條橡皮筋作用下彈出,沿木板滑行的情形。這時,橡皮筋對小車做功記為W。當(dāng)用2條、3條n條完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次第n次實驗時,每次橡皮筋都被拉伸到同一位置釋放。小車每次實驗中獲得的速度可以由打點計時器所打的紙帶測出,圖甲為某次實驗中打出的紙帶。-26-(1)除了圖中已給出的實驗器材和電源外,還需要的器材有。(2)實驗時為了使小車只在橡皮筋作用下運動,應(yīng)采取的措施是。(3)每次實驗得到的紙帶上的

15、點分布并不都是均勻的,為了測量小車最終獲得的末速度,應(yīng)選用紙帶的部分進行測量。-27-(4)下面是本實驗的數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理表。-28-從理論上講,橡皮筋做的功Wn與物體獲得的速度vn之間的關(guān)系是Wn,請你運用表中的數(shù)據(jù)在如圖乙所示的坐標系中作出相應(yīng)的圖象,以驗證理論的正確性。-29-答案:(1)刻度尺(2)把木板的左端墊起適當(dāng)?shù)母叨纫云胶饽Σ亮?3)相鄰兩點之間距離相等-30-解析:(1)要計算某點速度的大小,必須要測量紙帶上計數(shù)點間的距離,除了題圖中已給出的實驗器材和電源外,還需要的器材是刻度尺。(2)實驗時為了使小車只在橡皮筋作用下運動,應(yīng)采取的措施是把放打點計時器一端的木板墊起適當(dāng)?shù)母?/p>

16、度以平衡摩擦力。(3)小車最終做勻速運動,因此應(yīng)選用相鄰兩計數(shù)點間隔相等的部分。(4)根據(jù)動能定理可知,從理論上講,橡皮筋做的功Wn與物體獲得的-31-2.(2017廣東廣州海珠區(qū)期末)某同學(xué)利用如圖所示的裝置探究功與速度變化的關(guān)系。小物塊在1條橡皮筋的作用下彈出,沿水平桌面滑行,之后平拋落至水平地面上,落點記為M1;在釘子上分別套上2條、3條、4條同樣的橡皮筋,使每次橡皮筋拉伸的長度都保持一致,重復(fù)步驟,小物塊落點分別記為M2、M3、M4、;測量相關(guān)數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)處理。-32-(1)為求出小物塊拋出時的動能,需要測量下列物理量中的(填正確答案標號)。A.小物塊的質(zhì)量mB.橡皮筋的原長xC.橡

17、皮筋的伸長量xD.桌面到地面的高度hE.小物塊拋出點到落地點的水平距離l(2)將幾次實驗中橡皮筋對小物塊做的功分別記為W1、W2、W3、,小物塊拋出點到落地點的水平距離分別記為l1、l2、l3、。若功與速度的二次方成正比,則應(yīng)以W為縱坐標、為橫坐標作圖,才能得到一條直線。(3)由于小物塊與桌面之間的摩擦不能忽略,則由此引起的誤差屬于(選填“偶然誤差”或“系統(tǒng)誤差”)。-33-答案:(1)ADE(2)l2(3)系統(tǒng)誤差(3)小物塊與桌面之間的摩擦不可避免,屬于系統(tǒng)誤差。-34-3.(2017江蘇卷)利用如圖甲所示的實驗裝置探究恒力做功與物體動能變化的關(guān)系。小車的質(zhì)量為m0=200.0g,鉤碼的質(zhì)

18、量為m=10.0g,打點計時器的電源為50Hz的交變電流。-35-(1)掛鉤碼前,為了消除摩擦力的影響,應(yīng)調(diào)節(jié)木板右側(cè)的高度,直至向左輕推小車觀察到。(2)掛上鉤碼,按實驗要求打出的一條紙帶如圖乙所示。選擇某一點為O,依次每隔4個計時點取一個計數(shù)點。用刻度尺量出相鄰計數(shù)點間的距離x,記錄在紙帶上。計算打出各計數(shù)點時小車的速度v,其中打出計數(shù)點“1”時小車的速度v1=m/s。-36-(3)將鉤碼的重力視為小車受到的拉力,g取9.80m/s2,利用W=mgx算出拉力對小車做的功W。利用Ek=Mv2算出小車動能,并求出動能的變化量Ek。計算結(jié)果見下表。請根據(jù)表中的數(shù)據(jù),在方格紙上作出Ek-W圖象。-

19、37-(4)實驗結(jié)果表明,Ek總是略小于W。某同學(xué)猜想是由于小車所受拉力小于鉤碼重力造成的。用題中小車和鉤碼質(zhì)量的數(shù)據(jù)可算出小車受到的實際拉力F=N。答案:(1)小車做勻速運動(2)0.228(3)見下圖(4)0.093-38-解析:(1)調(diào)節(jié)木板右側(cè)的高度,在不掛鉤碼的情況下使小車恰好做勻速運動,以使小車的重力沿斜面向下的分力和摩擦力抵消,那么小車受到的合力就是繩子的拉力,這樣便平衡了摩擦力。(2)打點計時器的電源為50Hz的交變電流,且每隔4個計時點取一個計數(shù)點,則相鄰計數(shù)點打下的時間間隔為t=0.025s=0.1s;由于小車做勻加速運動,打出計數(shù)點“1”時小車的速度為打出“0”點和“2”

20、(3)先將表格中的數(shù)據(jù)在方格紙上描出,再用直線連接所描繪的點,如答案圖所示。(4)對小車和鉤碼整體由牛頓第二定律得mg=(m0+m)a對小車:F=m0a-39-4.(2017福建羅源縣月考)為了探究動能改變與合外力做功的關(guān)系,某同學(xué)設(shè)計了如下實驗方案:第一步:把帶有定滑輪的木板有滑輪的一端墊起,把質(zhì)量為m0的滑塊通過細繩與質(zhì)量為m的帶夾重錘跨過定滑輪相連,重錘后連一穿過打點計時器的紙帶,調(diào)整木板傾角,直到輕推滑塊后,滑塊沿木板向下勻速運動,如圖甲所示。第二步:保持長木板的傾角不變,將打點計時器安裝在長木板靠近滑輪處,取下細繩和重錘,將滑塊與紙帶相連,使紙帶穿過打點計時器,然后接通電源,釋放滑塊

21、,使之從靜止開始向下加速運動,打出紙帶,如圖乙所示。打出的紙帶如圖丙所示。-40-41-請回答下列問題:(1)已知O、A、B、C、D、E、F相鄰計數(shù)點間的時間間隔為t,根據(jù)紙帶求滑塊運動的速度,打點計時器打B點時滑塊運動的速度vB=。(2)已知重錘質(zhì)量為m,當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間,要測出某一過程合外力對滑塊做的功還必須測出這一過程滑塊(寫出物理名稱及符號,只寫一個物理量),合外力對滑塊做功的表達式W合=。(3)算出滑塊運動OA、OB、OC、OD、OE段合外力對滑塊所做的功W以及在A、B、C、D、E各點的速度v,以v2為縱軸、W為橫軸建立直角坐標系,描點作出v2-W圖象,可知該圖象是一條,根據(jù)圖象

22、還可求得。-42-可知還需要知道滑塊下滑的位移x,由動能定理可知W合=Ek,即mgx=Ek;(3)v2-W圖象應(yīng)該為一條過原點的直線,根據(jù)Ek= m0v2可求得m0的值。-43-5.(2017陜西銅川質(zhì)檢)某同學(xué)利用如圖所示的裝置探究動能定理。在氣墊導(dǎo)軌上安裝了兩光電門1、2,滑塊上固定一遮光條,滑塊用細線繞過定滑輪與鉤碼相連。實驗時,測出光電門1、2間的距離為L,遮光條的寬度為d,滑塊和遮光條的總質(zhì)量為M,鉤碼質(zhì)量為m。-44-(1)完成下列實驗步驟中的填空:A.安裝好實驗裝置,其中與定滑輪及彈簧測力計相連的細線豎直;B.實驗時要調(diào)整氣墊導(dǎo)軌水平,不掛鉤碼和細線,接通氣源,釋放滑塊,如果滑塊

23、,則表示氣墊導(dǎo)軌已調(diào)整至水平狀態(tài);C.掛上鉤碼后,接通氣源,再放開滑塊,記錄滑塊通過光電門1的時間t1和通過光電門2的時間t2,若彈簧測力計的示數(shù)為F,則要驗證動能定理的表達式為;D.改變鉤碼的質(zhì)量,重復(fù)步驟C,求得滑塊在不同合力作用下的動能變化量Ek。(2)對于上述實驗,下列說法正確的是。A.滑塊的加速度與鉤碼的加速度大小相等B.彈簧測力計的讀數(shù)為滑塊所受合外力C.實驗過程中鉤碼處于超重狀態(tài)D.鉤碼的總質(zhì)量m應(yīng)遠小于滑塊和遮光條的總質(zhì)量M-45-答案:(1)B.能在氣墊導(dǎo)軌上靜止,或能在導(dǎo)軌上做勻速運動,或經(jīng)過兩個光電門的時間相等解析:(1)若氣墊導(dǎo)軌水平,則滑塊不掛鉤碼時在氣墊導(dǎo)軌上受的合外力為零,能在氣墊導(dǎo)軌上靜止或做勻速直線運動,即滑塊經(jīng)過兩個光動能定理。(2)因為鉤碼向下運動的位移大小為x時,滑塊運動的位移大小就為2x,所以滑塊的加速度大小是鉤碼加速度大小的2倍,選項A錯誤;彈簧測力計的讀數(shù)為滑塊所受合外力大小,不需要滿足鉤碼的總質(zhì)量m遠小于滑塊和遮光條的總質(zhì)量M,實驗過程中鉤碼處于失重狀態(tài),所以選項B正確,C、D錯誤。