高考物理一轮复习 第5章 机械能 实验5 探究动能定理课件.pdf

第五章机械能 实验五探究动能定理实验图示记心中得知梨合&D系统化梳理练习化培优基础梳理一、实验目的(1)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.二、实验原理(1)不是直接测量对小车做功，而是通过改变橡皮筋条数确 定对小车做功叫 2%、3俨(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.以橡皮筋B小车做，功为纵坐标，小车获得的速度为横 坐标，作出彳一0曲线，分析这条曲线，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.三、实验器材小车（前面带小钩）、100g200g祛码、长木板，两侧适当 的对称位置钉两个铁钉、打点计时器及纸带、学生电源及导线（使用电火花计时器不用学生电源）、56条等长的橡皮筋、刻 度尺.四、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.(2)先用一条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车 获得的速度设此时橡皮筋对小车做的功为名,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明，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.五、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阻力平衡，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，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，也就是选 小车做匀速运动状态的.(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.六、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 的拉力做功力,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.(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.方法规律1.数据处理的思路方法（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）:41、42间的距离X，小车速度的表达式为（用 测量的物理量表示）。=T为打点计时器上的时间间隔）.Ai A2 A3 I实验数据记录:橡皮筋 条数位移x/m时间s速度o(msT)速度平方 r2(m2*s-2)（3）实验数据处理及分析：观察法：当橡皮筋的条数成倍增加，即合外力做的功成 倍增加时，观察小车的速度或速度的平方如何变化，有何变化 规律.图象法：在坐标纸上（如图所示）画出。或图线（“少，以一根橡皮筋做的功为单位）.0。（或 1?）（4）实验结论：从图象可知做功与物体速度变化的关系为W0c武2.该实验为什么必须平衡摩擦力？提示：平衡摩擦力就是让重力沿斜面方向的分力与摩擦力 相等，以保证小车所受合外力为橡皮筋的拉力，而使合外力的 功与橡皮筋的条数成正比，若不平衡摩擦力，则合外力包含摩 擦力，合外力的功与橡皮筋条数不成正比.3.为什么处理纸带时，必须求匀速阶段的速度？提示：橡皮筋恢复原长时，做功结束，小车应做匀速运 动，测量匀速阶段的速度，也就是橡皮筋刚做完功时的末速 度.I层级导学O层阶式突破针对性训练考向一对实验原理，器材及操作的考查典例1(2014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.纸带接电源S(1)若要完成该实验，必需的实验器材还有哪些.(2)实验开始时，也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(3)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：.(4)他将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功，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解析(1)实验中要计算绳拉力对小车所做的功，根据公 式=五,其中尸为绳子上的拉力，需要用钩码的重力近似 代替(另外)计算小车动能Ek=mv2,需要称量小车质量)；L 为小车在拉力作用下的位移，可通过对纸带的测量得出.因此,还需要用到的器材有刻度尺、天平.(2)细绳与木板平行，保证细绳对小车的拉力与木板平行，不会向上或向下倾斜，平衡摩擦力后，细绳对小车的拉力就等 于小车受到的合力，D正确.(3)纸带上点数较少说明小车运动过快，加速度较大，根据 F=ma,若减小加速度，可采取增大小车质量的方法，即在小 车上加适量的碳码(或钩码).(4)如果未完全平衡掉摩擦力，在运动中可能需要克服摩擦 力做功，会出现拉力做功大于小车动能增加量的情况，C正 确.将钩码重力当作拉力计算出的功，应等于小车和钩码共同 的动能增量，大于小车动能增量从动力学的角度，因为钩码加 速下落，对小车的拉力小于自身重力，D正确.答案(1)刻度尺、天平(包括磋码)D(3)可在小车 上加适量的秩码(或钩码)(4)CD考向二实验数据处理典例2（2013四川理综）如图甲所示，某组同学借用“探 究a与F、阳之间的定理关系”的相关实验思想、原理及操作，进行“研究合外力做功和动能变化的关系”的实验：为达到平衡阻力的目的，取下细绳及托盘，通过调整垫 片的位置，改变长木板倾斜程度，根据打出的纸带判断小车是否做_运动.(2)连接细绳及托盘，放入祛码，通过实验得到图乙所示的 纸带.纸带上。为小车运动起始时刻所打的点，选取时间间隔 为0.1 s的相邻计数点力、B、a D.E、F.G实验时小车所受 拉力为0.2N,小车的质量为0.2嘘.J_0 A_B C D E F G5 ；-21.60 cm-28.60 cm-36.70 cm-45.75 cm-55.75 cm-66.77 cm-乙请计算小车所受合外力做的功匠和小车动能的变化AEk,补填表中空格(结果保留至小数点后第4位).分析上述数据可知：在实验误差允许的范围内=AEk，与理论推导结果一致.(3)实验前已测得托盘质量为7.7X10-3瞠，实验时该组同 学放入托盘中的祛码质量应为 魄.盘取9.8 m/s2,结果保留至小数点后第3位)O-BOCODOEOFW7J0.04320.05720.07340.0915AEk/J0.04300.05700.07340.0907解析(1)平衡摩擦力后,重力分力等于小车所受的摩擦 力，将小车释放后，小车将做匀速直线运动.(2)已知拉力为0.2 N)所以)拉力所做的功W=Fx=Q.2X 0.557 5 J=0.111 5 J守占弘、击声 Xeg(66.77-45.75)X 0.01 mF点的速度VF=-=Na.tEG 2X0.1 s=1.051 m/s所以动能 AEk=mv2=0.110 5 J(3)对于小车，由牛顿第二定律可知a=1 m/s2 m对于托盘以及底码，mf g-F=a即=-F=0.023 kg g-a所以，托盘中法码的质量为(23.0-7.7)X 10-3 kg0.015 kg.答案匀速直线(或匀速)(2)0.111 5 J0.110 5 J(3)0.015 kg考向三实验的创新与设计典例3(2014广东高考)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(a),将轻质弹簧下端固定于铁架台，在上端的托 盘中依次增加硅码，测量相应的弹簧长度，部分数据如下 表.由数据算得劲度系数A=N/m.(-9.80 m/s2)碳码质量(g)50100150弹簧长度(cm)8.627.636.66(2)取下弹簧，将其一端固定于气垫导轨左侧，如图(b)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。.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。与x的关系如图(c),由图可 知，0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.654321 AF 0.1 X 9.80,斛析由 k 国=(8.62-6.66)X10 2 N/m=50 N/m；(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；1(4)由题图可知，*与v成正比，即o=kx,由维=4=%后也因此弹簧的弹性势能与弹簧的压缩量的平方成正比.答案(1)50(2)相等(3)滑块的动能(4)正比压缩量的平方针对训练（2016浙江效实中学期中）如图甲所示，是某同学验证动能 定理的实验装置.其步骤如下：a.易拉罐内盛上适量细沙，用轻绳通过滑轮连接在小车上，小车连接纸带，合理调整木板倾角，将小车沿木板匀速下 滑.b.取下轻绳和易拉罐，测出易拉罐和细沙的质量刑及小 车质量Mc.取下轻绳和易拉罐后，换一条纸带，将小车由静止释放,打出的纸带如图乙（中间部分未画出），O为打下的第一个点.已 知打点计时器的打点频率为f,重力加速度为g.乙(1)步骤C中小车所受的合外力为.(2)为验证从O-C过程中小车所受合外力做功与小车动能 变化的关系，测出5D间的距离为与,OC间距离为巧，则C点的 速度为.需要验证的关系式为(用所测物理 量的符号表示).解析(1)小车沿木板匀速下滑，受力平衡，去掉轻绳和 易拉罐后，小车所受合力等于易拉罐和细沙的总重力mg;(2)。0=霁=乎 根据实验原理需验证合力做的功等于动 能的增量,即验证mgxi=Mvc=Z o合匐sg(2)2 mgxx-g考场频考频练O 重点化演练实战性体验频考一对实验原理和操作的考查1.用如图所示的实验装置验证机械能守恒 定律，实验所用的电源为学生电源，输出电压 为6V的交流电和直流电两种.重物从高处由静 止开始下落，重物上拖着的纸带通过打点计时 器打出一系列的点，对纸带上的点的痕迹进行 测量，即能验证机械能守恒定律.下面列举了 该实验的几个操作步骤：打点 计时器_纸带夹子 重物0A按照图示的装置安装器材；B.将打点计时器接到电源的直流输出端上；C.用天平测量出重物的质量；D 释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸 带；E.测量打出的纸带上某些点之间的距离；F.根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能 是否等于增加的动能.指出其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤，将其选 项对应的字母填在下面的横线上，并说明其原因：解析步骤B是错误的，应该接到电源的交流输出端；步骤C不必要，因为根据测量原理，重物的动能和势能中都包 含了质量旭，可以约去；步骤D是错误的，应该先接通电源，待打点稳定后再释放纸带.答案见解析2.（2016南宁模拟）用如图甲所示的装置“验证机械能守 恒定律”.(1)下列物理量需要测量的是,通过计算得到的是(填写代号).A.重锤质量B.重力加速度C.重锤下落的高度D.与下落高度对应的重锤的瞬时速度(2)设重锤质量为阳、打点计时器的打点周期为人重力加 速度为g.图乙是实验得到的一条纸带，/、B、C.D.E为相邻 的连续点.根据测得的1、“、X、”写出重锤由B点到与点势 能减少量的表达式,动能增加量的表达式.解析(1)实验中需要直接测量的是重锤下落的高度，通 过计算得到的是与下落高度相对应的重锤的瞬时速度.(2)重锤重力势能的减少量为mg(s3-S2 4 一 22T，2T)i i故重锤动能的增加量为严力-57M彘12mS4-S228好答案(l)c D(2)mg(s3-S1)niS4(S42S2)8T1 21 I s2 I ms4(s4-2s2)*27频考二实验数据处理与误差分析3.（2016开封市高三质检）为了探究恒力作用时的动能定 理，某同学做了如下实验，他让滑块在某一水平面上滑行，利 用速度采集器获取其初速度。，并测量出不同初速度的最大滑 行距离工得到下表所示几组数据：数据组123456r/(m-s-1)00.160.190.240.300.49x/m00.0450.0750.1110.1630.442(1)一同学根据表中数据，作出X。图象如图甲所示.观察 该图象，该同学作出如下推理：根据X。图象大致是一条抛物 线，可以猜想，工可能与炭成正比.请在图乙所示坐标纸上选 择适当的坐标轴作出图线验证该同学的猜想.(2)根据你所作的图象，你认为滑块滑行的最大距离x与滑块初速度平方P2的关系是_.解析(1)作出X炭的图线如图所示.(2)由图可以看出)滑块滑行的最大距离X与滑块初速度平 方成正比.即xoc/答案(1)见解析图(2)844.（2016河南中原名校模拟）某学习小组用如图所示的气 垫导轨装置来“探究牛顿第二定律，由导轨标尺可以测出两 个光电门之间的距离L=25 cm,用光电门测出窄遮光板依次通 过两个光电门的时间分别为A，i=2X10-3s,A/2=10 3s,窄遮 光板的宽度为，滑块和遮光板的质量为M,沙和沙桶的质量 为且满足光电门遮光板/滑块 上一气垫导轨沙桶I拿轨标尺I(1)如图所示.用游标卡尺测出挡光板的宽度为，则=_mm,此滑块的加速度=_m/s(本空保留二位 有效数字).0 12 cm0 10 20(2)该学习小组在测出滑块的加速度后，经分析讨论，可用 上述实验装置来探究动能定理，动能定理的表达式为 _(用题中所给物理量符号表示).解析(1)=1 mm+0.05 mmX 10=1.50 mm.Vi=r=0.75 m/s v2=TT=1.50 m/s.1 2 A，？由*-=ZaL可得滑块的加速度a=3.4 m/s2.(2)满足M的情况下，沙和沙桶重力做的功等于滑块和遮光板的动能增加量)即:答案(1)1.50 3.4 1/1 1 h(2)阳瓯=2以瓯j5.(2016三门峡模拟)某学习小组在“探究功与速度变化 关系”的实验中采用了如图所示的实验装置.数字计时器调平螺丝 橡皮条挂钩(1)将气垫导轨接通气泵，通过调平螺丝调整气垫导轨使之水平，检查是否调平的方法是_.(2)如图所示，游标卡尺测得遮光条的宽度Ad=_cm.实验时，将橡皮条挂在滑块的挂钩上，向后拉伸一定的距离，并做好标记，以保证每次拉伸的距离恒定.现测得挂一根橡皮 条时，滑块弹离橡皮条后，经过光电门的时间为则滑块最 后匀速运动的速度表达式为_(用字母表示).0 1 单位:cmI I I I II I I I I I I I I I I I I I I I I I I I|I I I I I I I I|I I I I I I I I I I 0 10 20(3)逐根增加橡皮条，记录每次遮光条经过光电门的时间，并计算出对应的速度.则画出的火一力图象应是_.