2019版高考物理总复习 第五章 机械能 实验五 探究动能定理学案.doc

实验五探究动能定理误差分析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.利用打上点的纸带计算小车的速度时，测量不准带来误差。注意事项1.平衡摩擦力：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.选点测速：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点。3.橡皮筋的选择：橡皮筋规格相同时，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。热点一教材原型实验【例1】(2017温州模拟)如图1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(1)图1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1中小车上有一固定小立柱，如图2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3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2位有效数字)图3解析(1)电火花计时器的工作电压是220 V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3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 m/s0.65 m/s。答案(1)220(2)刻度尺(3)A(4)GJ0.65【变式训练1】(2017廊坊模拟)某同学做探究合力做的功和物体速度变化的关系的实验装置如图4甲所示，小车在橡皮筋的作用下弹出，沿木板滑行。用1条橡皮筋时对小车做的功记为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。实验中小车获得的速度由打点计时器所打的纸带求出。图4(1)木板水平放置，小车在橡皮筋作用下运动，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.橡皮筋仍处于伸长状态B.橡皮筋恰好恢复原长C.小车紧靠着打点计时器D.小车已超过两个铁钉的连线(2)如图乙所示是某次操作正确的情况下，在频率为50 Hz的电源下打点计时器记录的一条纸带，为了测量小车获得的速度，应选用纸带的_(选填“AF”或“FI”)部分进行测量，速度大小为_m/s。(3)通过该实验的正确操作和正确处理数据，应该得出合力做的功W和物体速度v变化的关系是_(用本问中的字母表达)。解析(1)平衡摩擦力后，橡皮筋的拉力等于小车受到的合力，橡皮筋做功完毕，小车的速度最大。若不进行平衡摩擦力操作，则当橡皮筋的拉力等于摩擦力时，速度最大，本题中木板水平放置，显然没有进行平衡摩擦力的操作，因此当小车的速度最大时，橡皮筋仍处于伸长状态，故选项B、C、D错误，A正确。(2)小车在橡皮筋的作用下先做加速运动，橡皮筋做功完毕，则速度达到最大，此后做匀速运动，因此匀速时的速度，即为该过程中的最大速度，故为了测量小车获得的速度，应选用纸带点距均匀的部分进行测量，即FI，所以速度为v m/s0.76 m/s。(3)所以W与v2成正比，即Wv2。答案(1)A(2)FI0.76(3)Wv2热点二实验拓展创新1.装置时代化2.求解智能化(1)摩擦阻力问题：靠小车重力的下滑分力平衡摩擦力自由下落阻力减少气垫导轨减少摩擦力。(2)速度的测量方法：匀速运动速度测量纸带上各点速度光电门v速度传感器直接显示速度大小。【例2】(2017北京理综，21)如图5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。图5(1)打点计时器使用的电源是_(选填选项前的字母)。A.直流电源 B.交流电源(2)实验中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正确操作方法是_(选填选项前的字母)。A.把长木板右端垫高 B.改变小车的质量在不挂重物且_(选填选项前的字母)的情况下，轻推一下小车。若小车拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其它阻力的影响。A.计时器不打点 B.计时器打点(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点的距离为x1、x2、x3，如图6所示。图6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，利用实验数据做出如图7所示的v2W图象。由此图象可得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_。图7(5)假设已经完全消除了摩擦力和其它阻力的影响，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，下图中正确反映v2W关系的是_。解析(1)打点计时器使用交流电源。(2)平衡摩擦力的方法为将木板一端垫高，使得重力沿木板方向的分力与所有阻力(包括打点过程中的阻力)平衡，使小车做匀速直线运动；判断小车做匀速直线运动是根据纸带上相邻点间的距离相等判定，故需计时器打点。(3)拉力大小为mg，O到B位移为x2，根据功的公式WFx，得W2mgx2。由于小车做匀加速直线运动，B点为AC时间中点，AC段平均速度等于B点瞬时速度，即v。(4)由v2W图象为直线得，v2kWb，从图中读出b0.01，在图中直线上任取两个相距较远的点，可得k4.8，所以v24.8W0.01。由等式两端的物理量单位可知，左侧单位m2s2，右侧W单位为J。所以k的单位为，所以与斜率有关的物理量是质量。(5)该实验与教材实验不同，不是使用不同数量的橡皮筋，每次测量一个速度，而是重物质量确定，一次实验中取不同位置的点，测量多个速度。设小车质量为M，以重物与小车整体为研究对象，则a，设小车滑行x时速度为v，则v202ax。可得v2mgx。实验中认为Wmgx，所以v2W，m与M为定值，故选项A正确。答案(1)B(2)AB(3)mgx2 (4)v24.8W0.01质量(5)A【变式训练2】某校物理兴趣小组利用如图8所示装置探究合力做功与动能变化的关系。在滑块上安装一遮光条，系轻细绳处安装一拉力传感器(可显示出轻细绳的拉力)，把滑块放在水平气垫导轨上A处，细绳通过定滑轮与钩码相连，光电门安装在B处。气垫导轨充气，将滑块从A位置由静止释放后，拉力传感器记录的读数为F，光电门记录的时间为t。图8(1)用螺旋测微器测量遮光条的宽度，如图9所示，则宽度为_mm。图9(2)多次改变钩码的质量(拉力传感器记录的读数F相应改变)，测得多组F和t数据，要得到线性变化图象，若已知选定F作为纵坐标，则横坐标代表的物理量为_。A.t B.(t)2C. D.()2(3)若正确选择横坐标所代表的物理量后，得出线性变化图象的斜率为k，且已经测出A、B之间的距离为s，遮光条的宽度为d，则滑块质量(含遮光条和拉力传感器)的表达式为M_。解析(1)根据螺旋测微器读数规则，遮光条的宽度d2.5 mm0.058 mm2.558 mm。(2)根据动能定理得FsMv2，v，联立解得F()2，选定F作为纵坐标，则横坐标代表的物理量为()2，选项D正确。(3)得出线性变化图象的斜率为k，由k解得M。答案(1)2.558(2)D(3)1.某学习小组在“探究功与速度变化的关系”的实验中采用了如图10所示的实验装置。图10(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11示，游标卡尺测得遮光条的宽度d_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t，则滑块最后匀速运动的速度表达式为_(用字母表示)。图11(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Wv2图象应是_。解析(1)检查导轨是否水平的方法：将滑块轻放在气垫导轨上，看其是否滑动(或将滑块轻放在气垫导轨上，轻推滑块看是否匀速运动)。(2)d5 mm0.05 mm105.50 mm0.550 cm滑块匀速运动的速度v。(3)由动能定理可知，Wmv2，故画出的Wv2图象应是过坐标原点的一条倾斜直线。答案(1)将滑块轻置于气垫导轨之上，看其是否滑动；或将滑块轻置于气垫导轨之上，轻推滑块看是否匀速运动(其他方法正确均可)(2)0.550(3)过坐标原点的一条倾斜直线2.为了“探究动能改变与合外力做功的关系”，某同学设计了如下实验方案：第一步：把带有定滑轮的木板有滑轮的一端垫起，把质量为M的滑块通过细绳与质量为m的带夹子的重锤跨过定滑轮相连，重锤下连一穿过打点计时器的纸带，调整木板倾角，直到轻推滑块后，滑块沿木板向下匀速运动，如图12甲所示。第二步：保持长木板的倾角不变，将打点计时器安装在长木板靠近滑轮处，取下细绳和重锤，将滑块与纸带相连，使纸带穿过打点计时器，然后接通电源，释放滑块，使之从静止开始向下加速运动，打出纸带，如图乙所示。打出的纸带如图丙所示。图12请回答下列问题：(1)已知O、A、B、C、D、E、F相邻计数点间的时间间隔为t，根据纸带求滑块运动的速度，打点计时器打B点时滑块运动的速度vB_。(2)已知重锤质量为m，当地的重力加速度为g，要测出某一过程合外力对滑块做的功还必须测出这一过程滑块_(写出物理量名称及符号，只写一个物理量)，合外力对滑块做功的表达式W合_。(3)算出滑块运动OA、OB、OC、OD、OE段合外力对滑块所做的功W以及在A、B、C、D、E各点的速度v，以v2为纵轴、W为横轴建立直角坐标系，描点作出v2W图象，可知该图象是一条_，根据图象还可求得_。解析(1)由打出的纸带可知B点的速度为vB。(2)由做功定义式可知还需要知道滑块下滑的位移x，由动能定理可知W合Ek，即mgxEk。(3)v2W图象应该为一条过原点的倾斜直线，根据EkMv2 可求得M的值。答案(1)(2)下滑的位移xmgx(3)过原点的倾斜直线滑块的质量M3.(2017江苏单科，10)利用如图13所示的实验装置探究恒力做功与物体动能变化的关系。小车的质量为M200.0 g，钩码的质量为m10.0 g，打点计时器的电源为50 Hz的交流电。图13(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_。(2)挂上钩码，按实验要求打出的一条纸带如图14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。图14(3)将钩码的重力视为小车受到的拉力，取g9.80 m/s2，利用Wmgx算出拉力对小车做的功W。利用EkMv2算出小车动能，并求出动能的变化量Ek。计算结果见下表。W/103J2.452.923.353.814.26Ek/103J2.312.733.123.614.00请根据表中的数据，在方格纸上作出EkW图象。(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