高三物理一轮复习《实验探究动能定理》.ppt

实验五 探究动能定理,【实验目的】 1.通过实验探究外力做功与物体速度变化的关系。 2.通过分析实验数据,总结出外力做功与物体速度平方的正比关系。,【实验原理】 1.改变功的大小:采用如图所示的实验装置,用1条、2条、3条规格同样的橡皮筋将小车拉到同一位置由静止释放,橡皮筋拉力对小车所做的功依次为W、2W、3W,2.确定速度的大小:小车获得的速度v可以由纸带和打点计时器测出,也可以用其他方法测出。,3.寻找功与速度变化的关系:以橡皮筋拉力所做的功W为纵坐标,小车获得的速度v为横坐标,作出W-v或W-v2图象。分析图象,得出橡皮筋拉力对小车所做的功与小车获得的速度的定量关系。,【实验器材】 小车(前面带小钩)、长木板(在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、导线(若使用电火花计时器则不用学生电源)、5条同规格的橡皮筋及毫米刻度尺。,【实验过程】 1.仪器安装: (1)按实验原理图将仪器安装好。 (2)平衡摩擦力:在长木板的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,轻推小车,纸带打出的点间距均匀,即小车能匀速运动为止。,2.测量与记录: (1)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。 (2)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。,(3)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。,【数据处理】 1.求速度:实验获得如图所示纸带,利用纸带上点迹均匀的一段测出两点间的距离,如纸带上A、C两点间的距离x,则v= (其中T为打点周期)。,2.记数据: 计算W、2W、3W、时对应v、v2的数值,填入表格。,3.作图象:在坐标纸上分别作出W-v和W-v2图线,从中找出功与速度变化的关系。,4.得结论:从图象分析外力对物体做功与物体速度变化的关系为Wv2。,【误差分析】,【注意事项】 1.平衡摩擦力: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:使小车连着纸带并接通电源,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.选点测速:测小车的速度时,纸带上的点应选均匀部分的,也就是选小车做匀速运动时的部分。 3.橡皮筋的选择: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.先后顺序:开始实验时,小车应靠近打点计时器,并且要先接通电源再释放小车。,5.小车的选择:小车质量应适当大一些,使纸带上打的点多一些。,热点一 对实验原理的考查 【典例1】(2017温州模拟)如图甲所示,某同学在做“探究功与速度变化的关系”的实验。当小车在1条橡皮筋的作用下沿木板滑行时,橡皮筋对小车做的功记为W。当用2条、3条橡皮筋重复实验时,设法使每次实验中橡皮筋所做的功分别为2W、3W 世纪金榜导学号42722122,(1)图甲中电火花计时器的工作电压是_V的交流电。 (2)实验室提供的器材如下:长木板、小车、橡皮筋、电火花计时器、纸带、电源等,还缺少的测量工具是_。,(3)图甲中小车上有一固定小立柱,如图乙中给出了4种 橡皮筋与小立柱的套接方式,为减小实验误差,你认为最合理的套接方式是_。 (4)在正确操作的情况下,某次实验所打的纸带如图丙所示。打在纸带上的点并不都是均匀的,为了测量橡皮筋做功后小车获得的速度,应选用纸带的_部分进行测量(根据纸带中字母回答),小车获得的速度是_m/s。(结果保留两位有效数字),【解题指导】 (1)命题立意:本题意在考查探究功与速度变化的关系的原理。 (2)解题关键: 橡皮筋对小车做功使小车获得最大速度后,小车能够自由运动。 小车获得的速度是指橡皮筋做功后小车匀速运动的速度。,【解析】(1)电火花计时器的工作电压是220V的交流电。 (2)处理实验数据时需要测量两计数点间的距离,因此还需要的器材是刻度尺。 (3)橡皮筋最合理的套接方式是A,以A的方式套接释放小车后,橡皮筋不会影响小车的运动。,(4)由图丙的纸带可知,GJ部分每两点间的距离相等,小车做匀速直线运动,因此应选用纸带的GJ部分;小车获得的速度v= =0.65m/s。 答案:(1)220 (2)刻度尺 (3)A (4)GJ 0.65,【强化训练】 1.(2017广元模拟)某实验小组探究力对物体做功与物体获得的速度的关系,选取的实验装置如图甲所示。实验主要步骤如下:,(1)实验时,在未连接橡皮筋时将长木板的左端用小木块垫起,不断调整使长木板倾斜合适的角度,轻推小车,使小车匀速下滑,这样做的目的是_。,(2)使小车在1条橡皮筋的作用下由某位置静止弹出沿木板滑行,橡皮筋对小车做的功为W;再用完全相同的2条、3条橡皮筋同时作用于小车,每次均由静止从_(选填“相同”或“不同”)位置释放小车,使橡皮筋对小车做的功分别为2 W、3 W,(3)分析打点计时器打出的纸带,分别求出小车每次获得的最大速度v1、v2、v3,作出W-v图象,则图乙中符合实际图象的是_(选填字母序号)。,【解析】(1)小车下滑时受到重力、橡皮筋的拉力、支持力和摩擦力,要使拉力等于合力,则应该用重力沿长木板方向的分力来平衡摩擦力。故可以将长木板的一端垫高来平衡小车所受的摩擦力,让小车的重力沿长木板的分力与摩擦力平衡,即mgsin=mgcos。,(2)橡皮筋产生的拉力是变力,采用倍增法增加功;即使小车在1条橡皮筋的作用下由静止弹出,这时橡皮筋对小车做的功为W,再用完全相同的2条、3条橡皮筋作用于小车,每次由静止释放小车时橡皮筋的伸长量都相同,使橡皮筋对小车做的功分别为2W、3W,即每次均由静止在相同位置释放小车。,(3)功与速度的平方相对应,所以图象为抛物线,D正确。 答案:(1)平衡摩擦力 (2)相同 (3)D,2.(2017银川模拟)某兴趣小组想通过物块在斜面上 运动的实验探究“合外力做功和物体速度变化的关 系”。实验开始前,他们提出了以下几种猜想:W ,Wv,Wv2。他们的实验装置如图甲所示, PQ为一块倾斜放置的木板,在Q点处固定一个速度传 感器(用来测量物体每次通过Q点时的速度),每次实 验,物体都从初始位置由静止释放。,(1)该实验中是否需要测出物体的质量?_。 (2)同学们设计了一表格来记录实验数据。其中L1、L2、L3、L4代表物体分别从不同高度处无初速度释放时初始位置到速度传感器的距离,v1、v2、v3、v4表示物体每次通过Q点时的速度。,他们根据实验数据绘制了如图乙所示的L-v图象,并得出结论Wv2,他们的做法是否合适?_。你有什么好的建议?_。 (3)在此实验中,木板与物体间摩擦力的大小_ _(选填“会”或“不会”)影响探究出的结果。,【解析】(1)根据动能定理可知等式的两侧都有质量,可以约去,物体质量的大小对实验没有影响,物体质量不需要测量出来。 (2)采用表格方法记录数据,合理绘制的L-v图象是曲线,不能得出结论Wv2。为了更直观地看出L和v的变化关系,应该绘制L-v2图象。,(3)重力和摩擦力的总功W也与距离L成正比,因此不会影响探究的结果。 答案:(1)不需要 (2)不合适 应进一步绘制L-v2图象 (3)不会,【反思归纳】实验中应注意的问题 (1)橡皮筋对小车做功获得的速度应该是最大速度,即小车匀速运动时的速度。 (2)小车每一次的释放位置必须相同。 (3)小车的质量不需要测量出来,橡皮筋对小车做的功也不需要测出具体数值。,热点二 对实验数据处理和误差分析的考查 【典例2】(2017临汾模拟)在追寻科学家研究足迹的过程中,某同学为探究恒力做功和物体动能变化间的关系,采用了如图甲所示的实验装置。 世纪金榜导学号42722123,(1)实验时,该同学用钩码的重力表示小车受到的合力,为了减小这种做法带来的实验误差,你认为应该采取的措施是_。(填选项前的字母) A.保证钩码的质量远小于小车的质量 B.选取打点计时器所打的第1点与第2点间的距离约为2mm的纸带来处理数据 C.把长木板不带滑轮的一端适当垫高以平衡摩擦力 D.必须先接通电源再释放小车,(2)如图乙所示是实验中得到的一条纸带,其中A、B、C、D、E、F是连续的六个计数点,相邻计数点间的时间间隔为T,相关计数点间的距离已在图中标出,测出小车的质量为M,钩码的总质量为m。从打B点到打E点的过程中,合力对小车做的功是_,小车动能的增加量是_(用题中和图中的物理量符号表示)。,【思考探究】 (1)用钩码的重力表示小车受到的合力,其条件是_ _。 (2)小车做什么运动?如何计算小车的速度? 提示:小车在恒力的作用下做匀加速直线运动,可由匀 变速直线运动某段时间内的平均速度等于这段时间中 间时刻的瞬时速度计算小车的速度。,平衡,摩擦力并且钩码的质量远小于小车的质量,【解析】(1)由于小车运动过程中会受到阻力,故要使拉力接近钩码的重力,要平衡摩擦力,以及要使钩码的质量远小于小车的质量,故选项A、C正确,B、D错误。,(2)从打B点到打E点的过程中,合力对小车做的功是W=mgh=mgs,根据中间时刻的速度等于平均速度得 小车动能的增加量是Ek= 答案:(1)A、C (2)mgs,【强化训练】 某同学在实验室用如图甲所示的装置来研究有关做功的问题。,(1)如图甲所示,在保持M7m条件下,可以认为绳对小车 的拉力近似等于砂和砂桶的总重力,在控制小车质量不 变的情况下进行实验。在实验中,该同学先接通打点计 时器的电源,再放开纸带,已知交流电的频率为50Hz。 图乙是在m=100g、M=1kg情况下打出的一条纸带,O为起,点,A、B、C为过程中3个相邻的计数点,相邻的计数点之间有4个点没有标出,有关数据如图乙所示,则打B点时小车的动能Ek=_J,从开始运动到打B点时,绳的拉力对小车做的功W=_J。(保留两位有效数字,g取9.8m/s2),(2)在第(1)问中,绳的拉力对小车做的功W大于小车获得的动能Ek,请你写出导致这一结果的主要原因:_ _。(写出一种即可),【解析】(1)小车拖动纸带做匀加速直线运动,B为AC的 中间时刻位置,由匀变速直线运动的规律可得vB= = ,其中xAC=OC-OA=19.95cm,T=50.02s=0.1s,代 入可求得vB=0.997 5m/s,所以在B点小车的动能Ek= 0.50J。绳的拉力近似等于砂和砂桶的总重力, 所以绳的拉力对小车做的功W=mgxOB0.51J。,(2)若摩擦力没有被完全抵消,小车所受合外力做的功还应包含克服摩擦力做的功,故拉力做的功大于动能的增量;若砂与砂桶的总重力不满足“远小于小车的重力”的条件,则砂和砂桶的总重力大于绳的拉力,若把砂和砂桶的总重力近似为拉力,导致拉力做的功大于动能增量。,答案:(1)0.50 0.51 (2)摩擦力没有被完全抵消或砂和砂桶的总重力大于绳的拉力,【反思归纳】处理数据应该注意的两点注意事项 (1)计算数据要注意有效数字的保留。 (2)利用图象处理数据得出结论,只有图象为直线时可直接得出物理量间的关系,如果图象为曲线,不能直接得出物理量间的关系,应该进一步进行分析讨论。,热点三 实验拓展与创新 【典例3】(2017河东区模拟)某同学用如图甲所示的装置做“探究合力做的功与动能改变量之间的关系”的实验,他们将光电门固定在水平轨道上的B点,并用重物通过细线拉小车,然后保持小车和重物的质量不变,通过改变小车释放点到光电门的距离(s)进行多次实验,实验时要求小车每次都从静止释放。 世纪金榜导学号42722124,(1)用游标卡尺测出遮光条的宽度d如图乙所示,d= _cm。 (2)如果遮光条通过光电门的时间为t,小车到光电门的距离为s,该同学通过描点作出线性图象来反映合力做的功与动能改变量之间的关系,则他所作的图象关系是下列哪一个时才能符合实验要求_。 A.s-t B.s-t2 C.s-t-1 D.s-t-2,(3)下列哪些实验操作能够减小实验误差_。 A.调整轨道的倾角,在未挂重物时使小车能在轨道上匀速运动 B.必须满足重物的质量远小于小车的质量 C.必须保证小车从静止状态开始释放,【创新方向分析】 (1)实验器材的变迁:对小车做功的物体由橡皮筋换为重物牵引的细线;记录实验数据的打点计时器及纸带换为遮光条和光电门。 (2)实验数据处理的变迁:由分析功与速度的关系变为分析位移与时间的关系。,【解析】(1)游标卡尺的主尺读数为11mm,游标读数为 0.059mm=0.45mm,所以读数为11mm+0.45mm=11.45mm =1.145cm。 (2)光电计时器记录通过光电门的时间,由速度公式计 算出小车通过光电门的平均速度,用该平均速度代替小 车的瞬时速度,故在遮光条经过光电门时小车的瞬间速 度为v= ,根据动能定理有Fs= 可见s,与t2成反比,即与 成正比,故应作出s-t-2的关系图象, 故选项D正确。 (3)经前面分析知,要使s-t-2图象为过原点的直线,应 保证小车初动能为零,即必须保证小车从静止状态开始 释放,故选项C正确。 答案:(1)1.145 (2)D (3)C,【强化训练】 1.(2017平顶山模拟)小明同学设计了一个实验来探究自行车的初速度与其克服阻力做功的关系,实验的主要步骤是: 找一段平直的路面,并在路面上画一道起点线; 骑上自行车用较快的速度驶过起点线,同时从车把手处自由释放一些很容易辨别的橡皮泥团;,车驶过起点线后就不再蹬自行车脚蹬,让车依靠惯性沿直线继续前进; 待车停下,记录自行车停下时的位置; 用卷尺量出起点线到橡皮泥落地点间的距离s、起点线到终点的距离L及车把手处离地高度h。,若自行车在行驶中所受的阻力为Ff并保持恒定。 (1)自行车经过起点线时的速度v=_。(用已知的物理量和测量所得到的物理量表示) (2)自行车经过起点线后克服阻力做功W=_。(用已知的物理量和测量所得到的物理量表示),(3)多次改变自行车经过起点线时的初速度,重复上述实验步骤,则每次只需测量上述物理量中的_和_,就能通过数据分析达到实验目的。,【解析】(1)释放橡皮泥时的速度与车速相等,橡皮泥 做平抛运动,则有s=vt,h= gt2,解得v=s 。 (2)由于阻力是恒定的,因此阻力做功为W=FfL。 (3)由于车把手到地面的高度是一定的,阻力是恒定的, 因此每次实验只要测量s和L即可。 答案:(1)s (2)FfL (3)s