1、实验5 探究动能定理,实验溯本求源实验热点探究课时巩固训练,一、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.通过分析实验数据,总结出做功与物体速度二次方的正比关系. 二、实验原理 1.通过改变橡皮筋条数确定对小车做的功W、2W、3W不直接测量对小车做功的具体大小. 2.用打点纸带测出由于橡皮筋做功而使小车获得的速度,进行若干次实验得到若干组功和速度的数据.,3.作出橡皮筋对小车做的功W随小车获得的速度v变化的W-v、W-v2、W-v3图像,分析图像得到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)、100200 g砝码、长木板(两侧适当的对
2、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条相同的橡皮筋、刻度尺.,四、实验步骤 1.按如图S5-1所示将实验仪器安装好,同时平衡摩擦力. 2.先用1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.,图S5-1,图S5-2,2.根据实验测得的数据,分别作出W-v图线、W-v2图线、W
3、-v3图线哪一种图像更接近于过原点的倾斜直线,功与速度之间就是哪一种正比关系. 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.利用打点纸带计算小车的速度时,测量不准带来误差.,热点一 实验原理与实验操作,例1 某探究学习小组的同学欲以图S5-3装置中的滑块为对象验证动能定理,他们在实验室组装了一套如图S5-3所示的装置,另外他们还找到了打点计时器所用的学生电源、导线、复写纸、纸带、小木块、细沙、垫块、天平.当滑块连接上纸带,用细线通过滑轮挂上空的小沙桶时,释放小桶,滑块处于
4、静止状态.若你是小组中的一位成员,要完成该项实验,则:,图S5-3,(1)你认为还需要的实验器材有 . (2)实验时为了保证滑块(质量为M)受到的合力与沙和沙桶的总重力大小基本相等,沙和沙桶的总质量m应满足的实验条件是 ,实验时首先要做的步骤是 . (3)在(2)的基础上,某同学用天平称量滑块的质量M.往沙桶中装入适量的细沙,用天平称出此时沙和沙桶的总质量m.让沙桶带动滑块加速运动,用打点计时器记录其运动情况,在打点计时器打出的纸带上取两点,测出这两点的间距L和这两点的速度大小v1与v2(v1v2),重力加速度为g.对滑块,本实验最终要验证的数学表达式为 (用题中的字母表示).,变式 图S5-
5、4是某小组用滑块验证动能定理的实验装置,在滑块上安装一遮光条与拉力传感器,把滑块放在水平气垫导轨上,通过定滑轮的细绳与钩码相连,光电门安装在B处.测得滑块(含遮光条和拉力传感器)质量为M、钩码的总质量为m、遮光条的宽度为d,当地的重力加速度为g.当气垫导轨充气后,将滑块在图示A位置由静止释放后,拉力传感器记录的示数为F, 光电门记录的时间为t.,图S5-4,(1)实验中是否要求钩码总质量m远小于滑块质量M? (选填“是”或“否”); (2)实验中还需要测量的物理量是 (用文字及相应的符号表示); (3)本实验中对滑块验证动能定理的表达式为 (用以上对应物理量的符号表示); (4)为减小实验误差
6、,可采取的方法是 . A.增大A、B之间的距离 B.减小钩码的总质量 C.增大滑块的质量 D.减小遮光条的宽度,特别提醒 (1)平衡摩擦力:将木板固定打点计时器的一端垫高,使小车重力沿木板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做匀速运动,找到木板一个合适的倾角. (2)选点测速:应选纸带上点均匀的部分计算小车速度.,热点二 数据处理与误差分析,例2 2017北京卷 如图S5-5甲所示,用质量为m的重物通过滑轮牵引小车,使它在长木板上运动,打点计时器在纸带上记录小车的运动情况.利用该装置可以完成“探究动能定理”的实验.,甲,乙,图S5-5,丙,
7、(3)接通电源,释放小车,打点计时器在纸带上打下一系列点,将打下的第一个点标为O.在纸带上依次取A、B、C若干个计数点,已知相邻计数点间的时间间隔为T.测得A、B、C各点到O点的距离分别为x1、x2、x3如图乙所示. 实验中,重物质量远小于小车质量,可认为小车所受的拉力大小为mg,从打O点到打B点的过程中,拉力对小车做的功W= ,打B点时小车的速度v= . (4)以v2为纵坐标,W为横坐标,利用实验数据作出如图丙所示的v2-W图像.由此图像可得v2随W变化的表达式为 .根据功与能的关系,动能的表达式中可能包含v2这个因子;分析实验结果的单位关系,与图线斜率有关的物理量应是 .,(5)假设已经完
8、全消除了摩擦力和其他阻力的影响,若重物质量不满足远小于小车质量的条件,则从理论上分析,图S5-6中正确反映v2-W关系的是 .,图S5-6,变式1 某同学利用图S5-7甲所示装置探究力对物体做的功与物体速度变化的关系,得到了下表的数据:,图S5-7,(注:每条橡皮筋拉长的长度都一样),(1)由表可得出定性结论: . (2)设一条橡皮筋拉长到固定长度所做功为W0,大致画出橡皮筋所做的功W与小车速度v的图像.(画在图乙中) (3)根据以上的W-v图像对W与v的关系做出初步判断: . (4)根据数据完成下表的空白部分:,变式2 用如图S5-8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
9、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.,图S5-8,(1)实验中轨道应倾斜一定角度,这样做目的是 . A.使释放木板后,木板能匀加速下滑 B.增大木板下滑的加速度 C.可使得细线拉力做的功等于合力对木板做的功 D.可使得在未施加拉力时木板能匀速下滑 (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;按甲图正确连接器材.,特别提醒 (1)利用图像探究
10、物理量间的关系时,首先确定横、纵坐标轴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)认真描点. (4)连线时要注意连线原则,偏离直线较远的点要舍去.,1.某实验小组设计了如图S5-9甲所示的实验装置来做“探究做功和物体速度变化关系”的实验,实验装置中PQ为一块倾斜放置的木板,木板可认为是光滑的,在其上固定一个光电门,用来测量物块上遮光条通过光电门的时间.,图S5-9,2.某实验小组采用如图S5-10所示的装置探究功与速度变化的关系,图中小车中可放置砝码,实验中,打点计时器的工作频率为50 Hz. (1)实验的部分步骤如下: 在小车中放入砝码,把纸带穿过打点计时器, 连
11、在小车后端,用细线连接小车和钩码; 将小车停在打点计时器附近, , , 小车拖动纸带,打点计时器在纸带上打下一系列点, ; 改变钩码或小车中砝码的数量,更换纸带,重复的操作.,图S5-10,(2)如图S5-11是钩码质量为0.03 kg、砝码质量为0.02 kg时得到的一条纸带,在纸带上选择O及A、B、C、D、E计数点,可获得各计数点到O的距离x及对应时刻小车的瞬时速度v,请将C点的测量结果填在表中的相应位置.,图S5-11,(3)本实验,若用钩码的重力表示小车受到的合外力,为了减小这种做法带来的实验误差,应采取的两项措施是: ; .,3.2017江苏卷 利用如图S5-12所示的实验装置探究恒
12、力做功与物体动能变化的关系.小车的质量为M=200.0 g,钩码的质量为m=10.0 g,打点计时器的电源为50 Hz的交流电.(1)挂钩码前,为了消除摩擦力的影响, 应调节木板右侧的高度,直至向左轻 推小车观察到 .,图S5-12,(2)挂上钩码,按实验要求打出的一条纸带如图S5-13所示.选择某一点为O,依次每隔4 个计时点取一个计数点.用刻度尺量出相邻计数点间的距离x,记录在纸带上.计算打出各计数点时小车的速度v,其中打出计数点“1”时小车的速度v1= m/s. (3)将钩码的重力视为小车受到的拉力,取g=9.80 m/s2,利用W=mgx算出拉力对小车做的功W.利用Ek=Mv2算出小车
13、动能,并求出动能的变化量Ek.计算结果见下表.,图S5-13,请根据表中的数据,在方格纸上作出Ek-W图像. (4)实验结果表明,Ek总是略小于W.某同学猜想是由于小车所受拉力小于钩码重力造成的.用题中小车和钩码质量的数据可算出小车受到的实际拉力F= N.,图S5-14,4.某同学用如图S5-15甲所示的器材做“探究功与速度变化的关系”的实验.小车在一条橡皮筋作用下弹出,沿木板滑行,这时橡皮筋对小车做的功记为W,当用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,使每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致,小车速度可由速度传感器测出,并经电脑处理后得出如图乙所示的一一对应的v-t图像,
14、由图像可以读出每次实验时小车获得的最大速度并记入表中.,图S5-15,(1)表中“X”应该是 . (2)从表格中可以得出,合力做的功W与速度v的关系是 . (3)在作W-v2图像时,由于实际操作过程中木板的倾角调整不当,造成实际图线与理想图线(虚线)存在差异,则作出的W-v2图像可能是 .,图S5-16,5.某实验小组利用如图S5-17甲所示的装置探究功与速度变化的关系,他们将宽度为d的挡光片固定在小车上,用不可伸长的细线将小车通过一个定滑轮与砝码盘相连,在水平桌面上的A、B两点各安装一个光电门,记录小车通过A、B时的遮光时间,小车中可以放置砝码,砝码对光电门无影响.实验主要步骤如下:,图S5
15、-17,用游标卡尺测量挡光片的宽度d. 将木板略微倾斜以平衡摩擦力,使细线拉力做的功等于合力对小车做的功; 将小车停在C点,在砝码盘中放上砝码,小车在细线拉动下运动,记录此时小车、小车中砝码和挡光片的质量之和为M,砝码盘和盘中砝码的总质量为m,小车通过A、B时的遮光时间分别为t1、t2; 在小车中增、减砝码或在砝码盘中增、减砝码,重复的操作. (1)下表是他们测得的多组数据,其中-是两个速度的平方差,F为砝码盘及盘中砝码的总重力,W是F在A、B间做的功.表格中W3= (结果保留三位有效数字).,6.如图S5-18所示的实验装置,可以用来做验证动能定理和探究加速度和力的关系两个实验,其中M为带滑
16、轮的小车的质量,m为沙和沙桶的质量.(滑轮质量不计) (1)对这两个实验,下列说法正确的是 . A.都要用天平测出沙和沙桶的总质量 B.为了让小车受到的合力等于绳的拉力的合力, 都要将带滑轮的长木板右端垫高,以平衡摩擦力 C.都要让小车靠近打点计时器,先接通电源再释放小车,打纸带的同时记录弹簧测力计的示数 D.为减小误差,实验中要保证沙和沙桶的总质量m远小于小车的质量M,图S5-18,(2)改变沙和沙桶的总质量,以弹簧测力计的示数F为横坐标,加速度a为纵坐标,画出的a-F图像是一条直线,求得图线的斜率为k,则小车的质量为 . (3)实验中正确操作打出的一条纸带如图S5-19所示,测出各计数点到
17、0点的距离x,计算出打各计数点时小车的速度v,若要便于验证动能定理,应作 (选填“x-v”“x-v2”或“x-v3”)图像.,图S5-19,7.某实验小组做“探究动能定理”实验,装置如图S5-20甲所示.探究对象是铝块(质量小于沙桶),保持其质量m不变,通过在沙桶中加沙来改变对铝块的拉力,由力传感器可测得拉力的大小F.已知当地重力加速度为g,电源频率为f.,图S5-20,(1)若把力传感器装在右侧轻绳上,则实验的误差会更 (选填“大”或“小”). (2)实验时,让沙桶从高处由静止开始下落,在纸带上打出一系列的点,如图乙所示,其中0是打下的第一个点,取纸带上的点05过程进行研究,铝块动能的增加量
18、Ek= ,外力做的功W= . (3)为了更普遍地反映铝块运动过程中功与动能增加量的关系,某同学选取0点到不同计数点过程,作出Ek-W图像如图丙所示,他根据 ,得到结论:外力做的功等于动能的增加量. (4)为了提高实验效果,请你提出一条合理的建议: .,图S5-21,(2)实验中是否要测量桌面的高度? (选填“是”或“否”). (3)改变弹簧的压缩量x,并测出对应的小球做平抛运动的水平位移s,在坐标纸中根据已描出的点作出合理的图线.,图S5-22,9.为了探究做功与物体动能之间的关系,在气垫导轨上放置一带有遮光片的滑块,轻弹簧的一端与滑块相接,另一端固定在气垫导轨的一端,将一光电门P固定在气垫导
19、轨底座上适当位置,如图S5-23所示.弹簧处于自然状态时,滑块上的遮光片刚好位于光电门的挡光位置,与光电门相连的光电计时器可记录遮光片通过光电门时的挡光时间.实验步骤如下:,图S5-23,用游标卡尺测量遮光片的宽度d; 在气垫导轨上适当位置标记一点A(图中未标出,A、P间距离远大于d),将滑块从A点由静止释放,由光电计时器读出滑块第一次通过光电门时遮光片的挡光时间t; 利用所测数据求出滑块第一次通过光电门时的速度v; 更换劲度系数不同而自然长度相同的弹簧重复实验步骤,记录弹簧劲度系数及相应的速度v. 实验数据如下表所示:,(1)测量遮光片的宽度时游标卡尺读数如图S5-24所示,读得d= m. (2)遮光片通过光电门时滑块速度的表达式为v= (用测量的物理量表示). (3)已知滑块从A点运动到光电门P处的过程中,弹簧对滑块做的功与弹簧的劲度系数成正比,根据表中数据可得出弹簧对滑块做的功W与滑块通过光电门时的速度v的关系是 .,图S5-24,
