(新课标)2018高考物理一轮复习-实验-探究动能定理.ppt

物理课标版第5讲实验：探究动能定理基础梳理基础梳理实验目的实验目的1.通过实验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。实验原理实验原理1.不是直接测量对小车做的功,而是通过改变橡皮筋条数确定对小车做的功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图线,分析这条图线,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。实验器材实验器材小车(前面带小钩)、100200g的砝码、长木板(两侧适当的对称位置钉两个铁钉)、打点计时器、纸带、学生电源(使用电火花计时器不用学生电源)、导线、56条等长的橡皮筋、刻度尺。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。实验步骤实验步骤1.按如图所示将实验仪器安装好。同时平衡摩擦力。数据处理数据处理1.测量小车的速度:实验获得如图所示的纸带,为探究橡皮筋弹力做功和小车速度的关系,需要测量弹力做功结束时小车的速度,即小车做匀速运动的速度,应在纸带上测量的物理量是(用字母表示):A1、A2间的距离x,小车速度的表达式是(用测量的物理量表示)v=(T为打点计时器的打点时间间隔)。橡皮筋条数位移x/m时间t/s速度v/(ms-1)速度平方v2/(m2s-2)2.实验数据记录3.实验数据处理及分析:在坐标纸上画出W-v和W-v2图线(“W”以一根橡皮筋做的功为单位)。4.实验结论:从图像可知功与物体速度变化的关系Wv2。误差分析误差分析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也会造成误差。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。注意事项注意事项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,从而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。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。考点一实验原理与操作考点一实验原理与操作典例典例12014天津理综,9(2)某同学把附有滑轮的长木板平放在实验桌上,将细绳一端拴在小车上,另一端绕过定滑轮,挂上适当的钩码,使小车在钩码的牵引下运动,以此定量探究绳拉力做功与小车动能变化的关系。此外还准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸、纸带、小木块等。组装的实验装置如图所示。若要完成该实验,必需的实验器材还有哪些。实验开始时,他先调节木板上定滑轮的高度,使牵引小车的细绳与木板平行。他这样做的目的是下列的哪个(填字母代号)。A.避免小车在运动过程中发生抖动B.可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰C.可以保证小车最终能够实现匀速直线运动D.可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力平衡摩擦力后,当他用多个钩码牵引小车时,发现小车运动过快,致使打出的纸带上点数较少,难以选到合适的点计算小车速度。在保证所挂钩码数目不变的条件下,请你利用本实验的器材提出一个解决办法:。他将钩码重力做的功当做细绳拉力做的功,经多次实验发现拉力做功总是要比小车动能增量大一些。这一情况可能是下列哪些原因造成的(填字母代号)。A.在接通电源的同时释放了小车B.小车释放时离打点计时器太近C.阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平衡掉D.钩码做匀加速运动,钩码重力大于细绳拉力答案答案刻度尺、天平(包括砝码)D可在小车上加适量的砝码(或钩码)CD解析解析计算小车的动能变化需用天平测质量;在计算小车通过的位移、小车的瞬时速度时都需用刻度尺测距离。只有绳与板面平行时,才能保证小车运动中与板面间的压力不变,才能保证小车所受摩擦力不变,才能保证平衡摩擦力后绳的拉力等于小车所受合力,故D正确。要增加纸带上所打下点的数目,只有减小小车运动的加速度。在所挂钩码数目不变的情况下只有增大小车的质量,即在车上增加砝码或钩码。当将钩码重力作为小车所受合力时,需满足几个条件:一是摩擦力被平衡,二是绳与板面平行,此二者可保证绳对车的拉力等于车所受合力,但车加速运动时钩码加速下降,钩码重力大于绳上拉力,则只有当钩码质量远小于小车质量时二者才近似相等,故此情况可能是由C、D原因造成的。方法指导方法指导本实验中对小车做的功应该为合力做的功,实验中采用将木板倾斜的方法,使小车重力沿斜面方向分力对小车做的功抵消摩擦力对小车做的功,则细绳对小车的拉力做的功即为合力对小车做的功。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.电磁打点计时器;B.天平;C.停表;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,缺少的器材是。(2)测量时间的工具是;测量质量的工具是。(3)图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,请说出做法,并对这种做法作出评价。答案答案(1)C、E毫米刻度尺(2)电磁打点计时器天平(3)见解析解析解析(1)计算小车速度是利用打上点的纸带,故不需要停表。电磁打点计时器应使用低压交流电源,故多余的器材是C、E。测量点与点之间的距离要用毫米刻度尺,故缺少的器材是毫米刻度尺。(2)测量时间的工具是电磁打点计时器,测量质量的工具是天平。(3)能,从A到B的过程中,恒力做的功为WAB=FxAB物体动能的变化量为EkB-EkA=m-m=m()2-m()2=m只要验证FxAB=m即可。优点:A、B两点的距离较远,测量时的相对误差较小;缺点:只进行了一次测量验证,说服力不强。考点二数据处理和误差分析考点二数据处理和误差分析典例典例2(2016湖南衡阳联考,22)某同学为探究合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:甲乙按图甲摆好实验装置,其中小车质量M=0.4kg,钩码总质量m=0.1kg。先接通打点计时器的电源(电源频率f=50Hz),然后释放小车,打出一条纸带。(1)经过多次重复实验,他从打出的多条纸带中选出一条打点清晰的,如图乙所示。把打下的第一点记作0,然后依次取若干个计数点,相邻计数点间还有4个点未画出,用厘米刻度尺测得各计数点到0点距离分别为d1=0.041m,d2=0.055m,d3=0.167m,d4=0.256m,d5=0.360m他把钩码重量(当地重力加速度g=9.8m/s2)作为小车所受合力,算出0点到第4个计数点合力做功W=J,打下第4个计数点时小车动能Ek=J。(结果保留三位有效数字)(2)此实验探究的结果,他未能得到“合力对物体做的功等于动能的变化”,且误差很大,主要原因有。(只需答一条)答案答案(1)0.2510.186(2)见解析解析解析(1)根据题意,物体所受合力为:F=mg=0.98N,0点到第4个计数点合力做功W=Fs=mgd4=0.251J根据匀变速直线运动中中间时刻的瞬时速度等于该过程的平均速度,可求出打下第4个计数点时小车的速度大小v4=其中T=50.02s=0.1sd5=0.360md3=0.167m解得v4=0.965m/s则打下第4个计数点时小车动能Ek=M=0.40.9652J=0.186J(2)主要原因:钩码质量太大;没有平衡摩擦力。某实验小组用图甲实验装置探究合力做功与动能变化的关系。铁架台竖直固定放置在水平桌面上,长木板一端放置在水平桌面边缘P处,另一端放置在铁架台竖直铁杆上,使长木板倾斜放置,长木板P处放置一光电门,用光电计时器记录滑块通过光电门时的挡光时间。甲实验步骤是:用游标卡尺测出滑块上挡光片的宽度L,用天平测量滑块的质量m。平衡摩擦力:以木板放置在水平桌面上的P处为轴,调节长木板在铁架台上的放置位置,使滑块恰好沿木板向下做匀速运动。在铁架台竖直杆上记下此位置Q1,用刻度尺测出Q1到水平面的高度H。保持P位置不变,长木板一端放置在铁架台竖直杆Q2上。用刻度尺量出Q1Q2的距离h1,将滑块从Q2位置由静止释放,由光电门计时器读出挡光片的挡光时间t1。保持P位置不变,重新调节长木板一端在铁架台上的放置位置,重复步骤数次。.滑块沿长木板由Q2运动到P处的过程中,用测量的物理量回答下列问题(已知重力加速度为g):(1)滑块通过光电门的速度v=;(2)滑块动能的变化量Ek=;(3)滑块克服摩擦力做的功Wf=;(4)合力对滑块做的功W合=。.某学生以长木板在铁架台竖直杆上的放置位置到Q1的距离h为横坐标,以滑块的挡光片通过光电门的挡光时间平方的倒数为纵坐标,根据测量数据在坐标中描点画出如图乙所示直线,直线延长线没有过坐标原点,其原因主要是。乙答案答案.(1)(2)(3)mgH(4)mgh1.平衡摩擦力倾角过大解析解析.(1)实验中用挡光片通过光电门的平均速度作为滑块通过光电门的瞬时速度:v=。(2)滑块动能的变化量Ek=mv2-0=。(3)摩擦力被平衡时=tan=,x是P到铁架台的水平距离,滑块从Q2下滑时克服摩擦力做的功Wf=mgcos=mg(h1+H)=mgH。(4)合力对滑块做的功W合=WG-Wf=mg(h1+H)-mgH=mgh1。.由题图知h=0时0,则表明平衡摩擦力时长木板倾角过大。考点三实验改进与实验创新考点三实验改进与实验创新典例典例3(2017河北唐山)图甲所示的装置可用来探究做功与速度变化的关系。倾角为的斜面体固定在实验台上,将光电门固定在斜面体的底端O点,将小球从斜面上的不同位置由静止释放。释放点到光电门的距离d依次为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm。(1)用螺旋测微器测量小球的直径,如图乙所示,小球的直径D=cm。(2)该实验(选填“需要”或“不需要”)测量小球质量;小球通过光电门经历的时间为t,小球通过光电门的速度为(填字母),不考虑误差的影响,从理论上来说,该结果(选填“”或“=”)球心通过光电门的瞬时速度。(3)为了探究做功与速度变化的关系:依次记录的实验数据如下表所示。实验次数123456d/10-2m5.0010.0015.0020.0025.0030.00v/(ms-1)0.690.981.201.391.551.70v2/(ms-1)20.480.971.431.922.412.86/(ms-1)1/20.830.991.101.181.241.30从表格中数据分析能够得到关于“做功与速度变化的关系”的结论是。答案答案(1)0.5626(0.56240.5628之间均对)(2)不需要(3)合外力做功与小球通过光电门时速度的平方成正比(或者释放点到光电门的距离d与小球通过光电门时速度的平方成正比)解析解析(1)螺旋测微器的读数为D=(5.5+12.60.01)mm=5.626mm=0.5626cm。(2)根据动能定理有mgdsin=mv2,消去m得gdsin=,所以该实验不需要测量小球的质量;小球通过光电门的速度为v=。小球沿斜面做匀加速直线运动,小球通过光电门的速度可以看做t时间内中间时刻的速度,不考虑误差的影响,球心通过光电门的速度可以看做D位移内中点的速度,由匀变速直线运动的规律,可以判定中点的速度大于中间时刻的速度。(3)分析表中数据可得出结论:合外力做功与小球通过光电门时速度的平方成正比(或者释放点到光电门的距离d与小球通过光电门时速度的平方成正比)方法指导方法指导本题的创新之处主要表现在以下两个方面:1.用重力做功(恒力做功)代替原实验中细绳拉力做功;2.通过光电门测量速度代替原实验中通过打点纸带计算速度。(2017河南周口)如图所示,上、下两个完全相同的圆弧轨道分别固定在竖直板上的不同高度处,轨道的末端水平,上轨道可上下平移,在两轨道相对于各自轨道末端高度相同的位置上各安装一个电磁铁,两个电磁铁由同一个开关控制,通电后,两电磁铁分别吸住相同小铁球A、B,断开开关,两个小球同时开始运动。离开圆弧轨道后,A球做平抛运动,B球进入一个光滑的水平轨道,则: