动能与机械能实验

关于动能与机械能实验第1页，共64页，2023年，2月20日，星期三(1)探究外力对物体做功与物体速度的关系。(2)会用图象法处理实验数据，通过对实验数据分析，总结出做功与物体速度平方的关系。第2页，共64页，2023年，2月20日，星期三第3页，共64页，2023年，2月20日，星期三(1)采用如图所示装置，让小车在橡皮筋作用下弹出，使小车获得速度后沿木板匀速滑行。当用一条橡皮筋弹出时对小车做的功记为W，则用两条、三条……完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次……实验，每次橡皮筋都拉伸到同一位置释放时，实验中橡皮筋对小车做的功就是2W、3W……第4页，共64页，2023年，2月20日，星期三图实－5－1(2)实验中橡皮筋每次做的功使小车获得的速度是根据打点计时器打出的纸带得到的。当得出若干组功和速度的数据后，以橡皮筋对小车做的功W为纵坐标，分别以小车获得的速度v、v2……为横坐标，以第1次实验时的功W为单位，用描点法分别作出W－v、W－v2……曲线，分析曲线，得出橡皮筋对小车做的功与小车速度的定量关系。第5页，共64页，2023年，2月20日，星期三小车(前面带小钩)、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)、5～6条等长的橡皮筋、刻度尺。第6页，共64页，2023年，2月20日，星期三(1)按图中所示将实验仪器安装好。(2)平衡摩擦力：在长木板有打点计时器的一端下面垫一块木板，反复移动木板的位置，直至小车上不挂橡皮筋时，纸带打出的点间距均匀，即小车能匀速运动为止。(3)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W，将这一组数据记入表格。第7页，共64页，2023年，2月20日，星期三(4)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，这时橡皮筋对小车做的功为2W，测出小车获得的速度v2，将数据记入表格。(5)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。第8页，共64页，2023年，2月20日，星期三第9页，共64页，2023年，2月20日，星期三1．测量小车的速度第10页，共64页，2023年，2月20日，星期三2．实验数据记录橡皮筋条数位移x/m时间t/s速度v/(m·s－1)速度平方(v2/m2·s－2)第11页，共64页，2023年，2月20日，星期三3．实验数据处理及分析(1)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。(2)图象法：在坐标纸上画出W－v或W－v2图线(“W”以一根橡皮筋做的功为单位)。第12页，共64页，2023年，2月20日，星期三图实－5－34．实验结论从图象分析外力对物体做功与物体速度变化的关系。第13页，共64页，2023年，2月20日，星期三(1)将木板一端垫高，使小车的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做匀速运动，找到长木板的一个合适的倾角。(2)测小车速度时，应选纸带上的点均匀的部分，也就是选小车做匀速运动的部分。(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。第14页，共64页，2023年，2月20日，星期三(1)误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋的拉力做的功W与橡皮筋的条数不成正比。(2)没有完全平衡摩擦力(倾角小)或平衡摩擦力过度(倾角过大)也会造成误差。(3)利用纸带计算小车的速度时，测量间距不准确或所选阶段不正确带来误差。第15页，共64页，2023年，2月20日，星期三[教材实验·练基础]1．在用如图实－5－9所示装置做“探究动能定理”的实验时，下列说法正确的是 ()图实－5－9第16页，共64页，2023年，2月20日，星期三A．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解析：实验采用通过增加橡皮筋的条数，使橡皮筋对小车做的功成倍增加，故A正确，B错误；小车的速度对应的是橡皮筋对小车做功完毕的情形，故C正确，D错误。答案：AC第17页，共64页，2023年，2月20日，星期三3.如图实－5－16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，图中是小车在一条图实－5－16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。实验中小车每次获得的速度由打点计时器所打点的纸带测出。第18页，共64页，2023年，2月20日，星期三(1)除了图中的已给出的实验器材外，还需要的器材有________________________________________________；(2)实验时为了使小车只在橡皮筋作用下运动，应采取的措施是____________________________________________；(3)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；(1)刻度尺把木板的末端垫起适当高度以平衡摩擦力点距均匀第19页，共64页，2023年，2月20日，星期三(5)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实－5－17所示的坐标系中作出相应的图象验证理论图实－5－17的正确性。(6)若在实验中你作出的图线与理论的推测不完全一致，你处理这种情况的做法是____________________________。v2分析误差来源，改进实验方案或测量手段，重新进行实验第20页，共64页，2023年，2月20日，星期三解析：(1)计算小车速度需要测量纸带上的点的距离，要用刻度尺。(2)要让小车在木板上匀速运动，因而木板要倾斜以平衡摩擦力。(3)小车匀速运动时，纸带上的点的间隔均匀。(4)橡皮筋每增加一条，对小车做的功就增加W。(5)纵坐标表示速度的平方，横坐标表示功，利用描点法描出各组数据对应的点，然后用平滑曲线连线作出v－Wn图象，如图所示。第21页，共64页，2023年，2月20日，星期三(6)分析误差来源，改进实验方案或测量手段，重新进行实验。答案：(1)刻度尺(2)把木板的末端垫起适当高度以平衡摩擦力(3)点距均匀(4)2W、3W、4W、5W(5)v2图象见解析图(6)分析误差来源，改进实验方案或测量手段，重新进行实验第22页，共64页，2023年，2月20日，星期三第23页，共64页，2023年，2月20日，星期三

[例1]某探究学习小组的同学欲验证动能定理，他们在实验室组装了一套如图实－5－6所示的装置，另外他们还 图实－5－6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。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，滑块处于静止状态。若你是小组中的一位成员，要完成该项实验。第24页，共64页，2023年，2月20日，星期三(1)你认为还需要的实验器材有____________。(2)实验时为了保证滑块受到的合力与沙桶的总重力大小基本相等，细沙和沙桶的总质量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为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为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(v1＜v2)。则本实验最终要验证的数学表达式为______________。(用题中的字母表示实验中测量得到的物理量)第25页，共64页，2023年，2月20日，星期三[解析]该实验中的研究对象是滑块，目的是比较合外力对滑块所做的功与滑块动能的增量的关系。因为合外力不等于滑块的重力，两端质量不可能“抵消”，所以要分别测出沙、滑块的质量，还要测出滑块移动的距离，便于计算做的功和速度，因此还需要有天平和刻度尺。第26页，共64页，2023年，2月20日，星期三第27页，共64页，2023年，2月20日，星期三第28页，共64页，2023年，2月20日，星期三该同学设计实验如下：首先进行如图实－5－8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。图实－5－8第29页，共64页，2023年，2月20日，星期三在此步骤中，目的是要确定物理量________，用m、d、g表示为________。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Ek2－Ek1就可以得出“外力做功与物体动能变化的关系”。第30页，共64页，2023年，2月20日，星期三第31页，共64页，2023年，2月20日，星期三验证机械能守恒定律第32页，共64页，2023年，2月20日，星期三第33页，共64页，2023年，2月20日，星期三图实－6－1第34页，共64页，2023年，2月20日，星期三(1)仪器安装：按图实－6－2所示将调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。(2)打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重图实－6－2物上，另一端穿过打点计时器的限位孔用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做3～5次实验。第35页，共64页，2023年，2月20日，星期三第36页，共64页，2023年，2月20日，星期三第37页，共64页，2023年，2月20日，星期三第38页，共64页，2023年，2月20日，星期三第39页，共64页，2023年，2月20日，星期三第40页，共64页，2023年，2月20日，星期三(1)安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内以减少摩擦阻力。(2)重物应选用质量和密度较大、体积较小的物体以减小空气阻力的影响。(3)应先接通电源，让打点计时器正常工作后，再松开纸带让重物下落。(4)纸带长度选用60cm左右为宜，应选用点迹清晰的纸带进行测量。第41页，共64页，2023年，2月20日，星期三第42页，共64页，2023年，2月20日，星期三第43页，共64页，2023年，2月20日，星期三方案1第44页，共64页，2023年，2月20日，星期三方案2第45页，共64页，2023年，2月20日，星期三方案3第46页，共64页，2023年，2月20日，星期三图实－6－5第47页，共64页，2023年，2月20日，星期三[例1]利用如图实－6－6所示装置进行验证机械能守恒定律的实验时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h。某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案：图实－6－6第48页，共64页，2023年，2月20日，星期三第49页，共64页，2023年，2月20日，星期三第50页，共64页，2023年，2月20日，星期三

[例2]

(2012·如皋统考)在用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中，质量m图实－6－7＝1.00kg的重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列点。如图实－6－7所示为选取的一条符合实验要求的纸带，O为第一个点(速度恰好为零)，每两个计数点之间还有四个点未画出，选连续的3个计数点A、B、C作为测量的点，如图所示，经测量知道A、B、C各点到O点的距离分别为50.50cm、86.00cm、130.50cm。已知打点计时器每隔0.02s打一次点，当地的重力加速度g＝9.80m/s2。第51页，共64页，2023年，2月20日，星期三根据以上数据，可计算出打B点时的速度vB＝________m/s；重物由O点运动到B点，重力势能减少了________J，动能增加了________J。根据所测量的数据，还可以求出物体实际下落的加速度为________m/s2，物体在从A到B下落的过程中所受到的平均阻力为________N(计算结果都要保留3位有效数字)，该阻力的来源主要有：①________；②________。第52页，共64页，2023年，2月20日，星期三第53页，共64页，2023年，2月20日，星期三第54页，共64页，2023年，2月20日，星期三第55页，共64页，2023年，2月20日，星期三

[例3]

(2011·海南高考)现要通过实验验证机械能守恒定律。实验装置如图实－6－8所示：水平桌面上固定一倾斜的气垫导