高中物理 实验5 探究动能定理学案1

实验五探究动能定理考纲解读1.通过实验探究力对物体做功与物体速度变化的关系.2.通过分析论证和实验探究的过程，培养实验探究能力和创新精神基本实验要求1实验目的探究功与物体速度变化的关系2实验原理(1)一根橡皮筋作用在小车上移动距离s做功为W.(2)两根橡皮筋作用在小车上移动距离s做功应为2W.(3)三根橡皮筋作用在小车上移动距离s做功应为3W.(4)利用打点计时器求出小车离开橡皮筋的速度，列表、作图，由图象可以确定速度变化与功的关系3实验器材橡皮筋、小车、木板、打点计时器、纸带、铁钉等4实验步骤(1)垫高木板的一端，平衡摩擦力(2)拉伸的橡皮筋对小车做功：用一条橡皮筋拉小车做功W.用两条橡皮筋拉小车做功2W.用三条橡皮筋拉小车做功3W.(3)测出每次做功后小车获得的速度(4)分别用各次实验测得的v和W绘制Wv或Wv2、Wv3、图象，直到明确得出W和v的关系5实验结论物体速度v与外力做功W间的关系Wmv2.规律方法总结1实验注意事项(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2实验探究的技巧与方法(1)不直接计算W和v的数值，而只是看第2次、第3次实验中的W和v是第1次的多少倍，简化数据的测量和处理(2)做Wv图象，或Wv2、Wv3图象，直到作出的图象是一条倾斜的直线考点一实验原理与实验操作例1(2014天津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1所示图1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本实验需要知道小车的动能，因此还需要用天平测出小车的质量，用刻度尺测量纸带上点迹之间的长度，求出小车的瞬时速度牵引小车的细绳与木板平行的目的是在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力，选项D正确在保证所挂钩码数目不变的条件下要减小小车加速度可以增加小车的质量，故可在小车上加适量砝码(或钩码)当小车在运动过程中存在阻力时，拉力做正功和阻力做负功之和等于小车动能增量，故拉力做功总是要比小车动能增量大一些；当钩码加速运动时，钩码重力大于细绳拉力，此同学将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功，则拉力做功要比小车动能增量大，故只有C、D正确答案刻度尺、天平(包括砝码)D可在小车上加适量砝码(或钩码)CD变式题组1实验原理与实验操作某学习小组做“探究功与速度变化的关系”的实验如图2所示，图中小车是在一条橡皮筋作用下弹出的，沿木板滑行，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(每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致)，每次实验中小车获得的速度根据打点计时器所打在纸带上的点进行计算图2(1)除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、刻度尺和_(填“交流”或“直流”)电源(2)实验中，小车会受到摩擦力的作用，可以使木板适当倾斜来平衡摩擦力，则下面操作正确的是()A放开小车，能够自由下滑即可B放开小车，能够匀速下滑即可C放开拖着纸带的小车，能够自由下滑即可D放开拖着纸带的小车，能够匀速下滑即可(3)若木板水平放置，小车在两条橡皮筋作用下运动，当小车速度最大时，关于橡皮筋所处的状态与小车所在的位置，下列说法正确的是()A橡皮筋处于原长状态B橡皮筋仍处于伸长状态C小车在两个铁钉的连线处D小车已过两个铁钉的连线(4)在正确操作的情况下，打在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(根据如图3所示的纸带回答)图3答案(1)交流(2)D(3)B(4)GJ解析(1)打点计时器使用的是交流电源(2)平衡摩擦力时，应将纸带穿过打点计时器，放开拖着纸带的小车，小车能够匀速下滑即可，D正确(3)水平放置木板，放开小车后，小车做加速运动，当橡皮筋的拉力大小等于摩擦力大小时，小车的速度最大，此时橡皮筋仍处于伸长状态，小车没过两个铁钉的连线，B正确，A、C、D错误(4)从纸带上看，纸带的GJ段打点比较均匀，所以应选用纸带的GJ段进行测量2实验原理与实验操作某实验小组采用如图4所示的装置来探究“功与速度变化的关系”实验中，小车碰到制动装置时，钩码尚未到达地面实验的部分步骤如下：图4a将一块一端带有定滑轮的长木板固定在桌面上，在长木板的另一端固定一打点计时器；b把纸带穿过打点计时器的限位孔，连在小车后端，用细绳跨过定滑轮连接小车和钩码；c把小车拉到靠近打点计器的位置，接通电源，从静止开始释放小车，得到一条纸带；d关闭电源，通过分析小车位移与速度的变化关系(不需要知道合外力大小)来研究合外力对小车所做的功与速度变化的关系(1)下列关于实验过程的描述正确的是_A实验中应控制钩码的质量，使其远小于小车的总质量B实验前应调节好定滑轮的高度，使拉小车的细绳和长木板平行C实验前应把长木板右端适当垫高，以平衡摩擦力D实验时应先让小车运动，等小车运动一段时间后再接通打点计时器的电源(2)实验中，该小组同学画出小车位移x与小车速度v的关系图象如图5所示，根据该图形状，某同学对W与v的关系作出了猜想，肯定不正确的是_图5AWvBWv2CWDWv3答案(1)B(2)AC解析(1)解决该实验题首先要明白该实验的实验原理该实验是利用小车所受到的合外力做的功等于小车动能的变化量的关系进行实验的，即Fxmv2，由此可以看出，实验中钩码的质量不会影响实验的结果，选项A错误；在实验中，拉小车的细绳应与长木板平行，以保证拉力的方向与位移的方向在一条直线上，这样可以有效地减小误差，选项B正确；该实验不需要平衡摩擦力，因为无论钩码的质量多大，细绳对小车的拉力与摩擦力的合力在每一次实验中都为恒力，均可满足Fxmv2的要求，故选项C错误；应先接通电源，等打点计时器工作稳定后再释放小车，选项D错误(2)如果Wv，xv图象应该是一条过原点的直线；如果W，xv图象应该是双曲线的一支，故肯定不正确的是选项A、C.考点二数据处理与误差分析例2如图6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小车每次实验中获得的速度由打点计时器所打点的纸带测出图6(1)除了图中的已给出的实验器材外，还需要的器材有_；(2)平衡摩擦力后，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；(3)下面是本实验的数据记录表，请将第2次、第3次实验中橡皮筋做的功填写在对应的位置；橡皮筋做的功10个间距的距离x(m)10个间距的时间T(s)小车获得的速度vn小车速度的平方v第1次W0.2000.2第2次0.2800.2第3次0.3000.2第4次0.4000.2第5次0.4500.2(4)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7所示的坐标系中作出相应的图象验证理论的正确性图7解析(1)计算小车速度需要测量纸带上的点的距离，要用刻度尺打点计时器需要交流电源.(2)小车匀速运动时，纸带上的点的间隔均匀(3)橡皮筋每增加一条，对小车做的功就增加W.(4)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vWn图象，如图所示答案(1)刻度尺、交流电源 (2)点距均匀(3)2W、3W、4W、5W(4)v图象见解析变式题组3实验数据的处理(2013四川8(2)如图8所示，某组同学借用“探究a与F、m之间的定量关系”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：图8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，改变长木板的倾斜程度，根据打出的纸带判断小车是否做_运动连接细绳及托盘，放入砝码，通过实验得到如图9所示的纸带纸带上O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A、B、C、D、E、F、G.实验时小车所受拉力为0.2 N，小车的质量为0.2 kg.图9请计算小车所受合外力做的功W和小车动能的变化Ek，补填表中空格(结果保留至小数点后第四位).OBOCODOEOFW/J0.043 20.057 20.073 40.091 5Ek/J0.043 00.057 00.073 40.090 7分析上述数据可知：在实验误差允许的范围内WEk，与理论推导结果一致实验前已测得托盘质量为7.7103 kg，实验时该组同学放入托盘中的砝码质量应为_kg(g取9.8 m/s2，结果保留至小数点后第三位)答案匀速直线(或匀速)0.111 50.110 50.015解析取下细绳与托盘后，当摩擦力恰好被平衡时，小车与纸带所受合力为零，获得初速度后应做匀速直线运动由题图可知55.75 cm，再结合v可得打下计数点F时的瞬时速度vF1.051 m/s，故WF0.111 5 J，EkMv0.110 5 J.根据牛顿第二定律有：对小车FMa，得a1.0 m/s2；对托盘及砝码(mm0)gF(mm0)a，故有mm0 kg7.7103 kg0.015 kg4数据处理与误差分析某同学为探究“合力做功与物体动能改变的关系”设计了如下实验，他的操作步骤如下：(1)按如图10所示安装好实验装置，其中小车质量M0.20 kg，钩码总质量m0.05 kg.图10(2)释放小车，然后接通打点计时器的电源(电源频率f50 Hz)，打出一条纸带(3)他在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条，如图11所示把打下的第一个点记作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点的距离分别为d10.041 m，d20.055 m，d30.167 m，d40.256 m，d50.360 m，d60.480 m，他把钩码的重力(当地重力加速度g10 m/s2)作为小车所受合力，算出打下0点到打下第5点合力做功W_J(结果保留三位有效数字，重力加速度g取10 m/s2)，打第5点时小车的动能Ek_(用相关数据前字母列式)，把打下第5点时小车的动能作为小车动能的改变量，算得Ek0.125 J.图11(4)此次实验探究的结果，他没能得到“合力对物体做的功等于物体动能的增量”，且误差很大通过反思，他认为产生误差的原因如下，其中正确的是_A钩码质量太大，使得合力对物体做功的测量值比真实值偏大太多B没有平衡摩擦力，使得合力对物体做功的测量值比真实值偏大太多C释放小车和接通电源的顺序有误，使得动能增量的测量值比真实值偏小D没有使用最小刻度为毫米的刻度尺测距离也是产生此误差的重要原因答案(3)0.180(d6d4)2(4)AB解析若用钩码的重力作为小车所受的合力，则F合mg0.5 N，从0点到打第5点时水平位移xd50.360 m，所以WF合x0.50.360 J0.180 J打第5点时小车动能EkMv，v5，式中t为5个时间间隔，即t，故Ek(d6d4)2.从该同学的实验操作情况来看，造成很大误差的主要原因是把钩码的重力当成了小车的合力和实验前没有平衡摩擦力故选项A、B正确C、D两个选项中提到的问题不能对实验结果造成重大影响，故不选C、D.考点三实验拓展与创新1本实验中虽然不需要计算出橡皮筋每次做功的具体数值，但需要计算出每次小车获得的速度，由于距离的测量存在一定误差，使得速度的大小不准确，在此可以安装速度传感器进行实验2本实验也可用钩码牵引小车完成，在小车上安装拉力传感器测出拉力的大小，再测出位移的大小，进而确定力做功的多少例3某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“外力做功与物体动能变化的关系”如图12所示，他们将拉力传感器固定在小车上，用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连，用拉力传感器记录小车受到拉力的大小在水平桌面上相距50.0 cm的A、B两点(A、B两点图中未标出)各安装一个速度传感器，记录小车通过A、B时的速度大小小车中可以放置砝码图12(1)实验主要步骤如下：测量_和拉力传感器的总质量M1；把细线的一端固定在拉力传感器上，另一端通过定滑轮与钩码相连；正确连接所需电路将小车停在桌面右端靠近打点计时器处，_，小车在细线拉动下运动，记录细线拉力及小车通过A、B时的速度在小车中增加砝码，或_，重复的操作(2)表格中是他们测得的几组数据，其中M是M1与小车中砝码质量之和，|vv| 是两个速度传感器记录速度的平方差，可以据此计算出动能变化量E，F是拉力传感器受到的拉力，W是F在A、B间所做的功表格中E3_，W3_.(结果保留三位有效数字)数据记录表次数M/kg|vv| /(m/s)2E/JF/NW/J10.5000.7600.1900.4000.20020.5001.650.4130.8400.42030.5002.40E31.220W341.0002.401.202.4201.2151.0002.841.422.8601.43(3)根据表格，请在图13中的方格纸上作出EW图线图13解析(1)在实验过程中拉力对小车、砝码和拉力传感器做功使小车、砝码和拉力传感器的动能增加，所以需要测量小车、砝码和拉力传感器的总质量；通过控制变量法只改变小车的质量或只改变拉力的大小得出不同的数据(2)通过拉力传感器的示数和AB的长度l，用WFl可计算拉力做的功(3)利用图象法处理数据，由动能定理Wm(vv)可知W与E成正比，作图可用描点法答案(1)小车、砝码 接通电源，释放小车减少钩码(2)0.6000.610(3)如图所示拓展题组5实验的拓展(2013新课标全国22)某同学利用下述装置对轻质弹簧的弹性势能进行探究：一轻质弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一小球接触而不固连弹簧处于原长时，小球恰好在桌面边缘，如图14所示向左推小球，使弹簧压缩一段距离后由静止释放，小球离开桌面后落到水平地面通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能图14回答下列问题：(1)本实验中可认为，弹簧被压缩后的弹性势能Ep与小球抛出时的动能Ek相等已知重力加速度大小为g.为求得Ek，至少需要测量下列物理量中的_(填正确答案标号)A小球的质量mB小球抛出点到落地点的水平距离sC桌面到地面的高度hD弹簧的压缩量xE弹簧原长l0(2)用所选取的测量量和已知量表示Ek，得Ek_.(3)图15中的直线是实验测量得到的sx图线从理论上可推出，如果h不变m增加，sx图线的斜率会_(填“增大”、“减小”或“不变”)：如果m不变，h增加，sx图线的斜率会_(填“增大”、“减小”或“不变”)由图中给出的直线关系和Ek的表达式可知，Ep与x的_次方成正比图15答案(1)ABC(2)(3)减小增大二解析(1)小球离开桌面后做平抛运动，设桌面到地面的高度为h，小球抛出点到落地点的水平距离为s，则有hgt2，sv0t，解得v0s所以Ekmv.由此可知需要测量的量有m、s、h，故选A、B、C.(2)由(1)的解析知Ek.(3)在 x相同的情形下，弹簧的弹性势能相同，由Epmv可知：在m增加时，速度v0减小，因而h不变时s减小，故图线的斜率减小m不变时，v0不变，h增加时，时间变长，s变大，故图线的斜率增大