（新课标）2020版高考物理一轮复习 第五章 实验五 探究动能定理课件

1、实验五实验五探究动能定理探究动能定理 一 实验目的 二 实验原理 三 实验器材 基基 础础 过过 关关 四 实验步骤 五 实验结论 六 误差分析 七 注意事项 考点一 实验原理和实验操作 考点二 实验数据处理和误差分析 考点三 实验拓展和实验创新 考考 点点 突突 破破 基础过关 一、实验目的一、实验目的 通过实验探究外力对物体做功与物体速度变化的关系。 二、实验原理二、实验原理 探究功与速度变化的关系,可用如图所示的装置进行实验。通过增加橡 皮筋的条数,使橡皮筋对小车做的功成倍增加,再通过打点计时器和纸 带来测量每次实验中小车的末速度v,最后通过数据分析得出功与速度 变化的关系。 三、实验器

2、材三、实验器材 橡皮筋、小车(前面带小钩)、长木板、打点计时器、学生电源、纸 带、刻度尺、铁钉等。 四、实验步骤四、实验步骤 1.垫高长木板的一端,平衡摩擦力。 2.拉伸的橡皮筋对小车做功: (1)用1条橡皮筋拉小车做功W0; (2)用2条橡皮筋拉小车做功2W0; (3)用3条橡皮筋拉小车做功3W0。 3.测出每次做功后小车获得的速度v。 4.利用各次实验测得的v和W数据绘制W-v、W-v2、W-v3、图象,直到 明确得出W和v的关系。 五、实验结论五、实验结论 在误差允许的范围内,外力做的功与物体速度的平方成正比,即Wv2。 六、误差分析六、误差分析 1.误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不

3、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。 七、注意事项七、注意事项 1.平衡摩擦力时,将木板一端垫高,使小车重力沿斜面向下的分力与摩擦 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,从而找到木板一个合适的倾角。 2.测小车的速度时,应选纸带上的点均匀分布的部分。 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.小车的质量应大一些,使纸带上打的点多一些。 考点一实验原理和实验操作考

4、点一实验原理和实验操作 例例1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 装置如图所示。 考点突破 (1)若要完成该实验,必需的实验器材还有。 (2)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(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

5、细绳拉力等于小车受的合力 (3)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的速度。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: 。 (4)他将钩码重力做的功当做细绳拉力做的功,经多次实验发现拉力做 的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 答案答案(1)刻度尺、天平(包括砝码)(2)D(3)可在小车上加适

6、量的砝 码(或钩码)(4)CD 解析解析(1)计算小车的动能变化需用天平测质量;在计算小车通过的位 移、小车的瞬时速度时都需用刻度尺测距离。 (2)只有绳与板面平行时,才能保证小车运动中与板面间的压力不变,才 能保证小车所受摩擦力不变,才能保证平衡摩擦力后绳的拉力等于小车 所受合力,故D正确。 (3)要增加纸带上所打下点的数目,只有减小小车运动的加速度。在所挂钩 码数目不变的情况下只有增大小车的质量,即在车上增加砝码或钩码。 (4)当将细绳的拉力作为小车所受合力时,需满足几个条件:一是摩擦力 被平衡,二是绳与板面平行,此二者可保证绳对车的拉力等于车所受合 力,但车加速运动时钩码加速下降,钩码重

7、力大于绳上拉力,则只有当钩 码质量远小于小车质量时,钩码重力与小车所受合力才近似相等,故此 情况可能是由C、D原因造成的。 变式变式1“探究功与速度变化的关系”的实验装置如图所示,当小车在 一条橡皮筋作用下弹出时,橡皮筋对小车做的功记为W0;当用2条、3 条、4条、完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、第4次、 实验时,橡皮筋对小车做的功记为2W0、3W0、4W0、,每次实验中小 车获得的最大速度可由打点计时器所打出的纸带测出。 (1)关于该实验,下列说法正确的是。 A.打点计时器可以用干电池供电 B.实验仪器安装时,可以不平衡摩擦力 C.每次实验小车必须从同一位置由静止弹出 D.利用每

8、次测出的小车最大速度vm和橡皮筋做的功W,依次作出W-vm、 W-、W-、W2-vm、W3-vm、的图像,得出合力做功与物体速度变化 的关系 2 m v 3 m v (2)如图所示,给出了某次实验打出的纸带,从中截取了测量小车最大速 度所用的一段纸带,测得A、B、C、D、E相邻两点间的距离分别为AB= 1.48cm,BC=1.60cm,CD=1.62cm,DE=1.62cm;已知相邻两点打点时间 间隔为0.02s,则小车获得的最大速度vm=m/s。(结果保留两位 有效数字) 答案答案(1)CD(2)0.81 解析解析(1)打点计时器必须用交流电源,A项错误;实验仪器安装时,必须 平衡摩擦力,B

9、项错误;每次实验小车必须从同一位置由静止弹出,C项正 确;根据所得数据分别作出橡皮筋所做的功W与小车获得的最大速度或 小车获得的最大速度的平方、立方等图像,找出合力做的功与物体速度 变化的关系,D项正确。 (2)小车获得的最大速度vm=m/s=0.81m/s。 x t 2 1.62 10 0.02 考点二实验数据处理和误差分析考点二实验数据处理和误差分析 例例2如图1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1 (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

10、 (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他阻力的影响。 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2所示。 图2 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

11、,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3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。 图3 (5)假设已经完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4中正确反映v2-W关系的是 。 图4 答案答案(1)B(2)AB(3)mgx2 (4)v2=kW,k=(4.55.0)m2s-2J-1质量(5)A 解析解析本题考查“探究动能定理”实验。 (1)打点计时器使用

12、的是交流电源。 (2)把长木板右端垫高,利用小车的重力沿斜面的分力平衡摩擦力和其 他阻力;在不挂重物且计时器打点的情况下,小车沿斜面能匀速运动,表 明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响。 31 2 xx T (3)W=Fs=mgx2,vB=。 (4)由图知,图线为一条纵截距为零、斜率k=(4.55.0)m2s-2J-1的直线,其 表达式为v2=kW。 根据动能定理W=mv2得v2=W,故斜率k=,与质量有关。 (5)根据功能关系有W=(M+m)v2,所以v2=W,v2W,图A正确。 AC AC t 31 2 xx T 1 2 2 m 2 m 1 2 2 Mm 变式变式2某同学用图甲所示装置进行“

13、探究恒力做功与动能改变的关 系”实验。平衡摩擦力后,通过实验得到图乙所示的纸带。纸带上O为 小车运动起始时刻所打的点,选取时间间隔为0.1s的相邻计数 点A、B、C、D、E、F。实验时小车的质量为0.390kg,小车受到细绳 的拉力为0.40N。回答下列问题:(计算结果保留3位有效数字) 甲乙 (1)小车从O到E,合力做的功W=J;动能变化量Ek=J。 (2)实验中该同学发现W略大于Ek,其主要原因是(写 出一条即可)。 答案答案(1)0.1880.180 (2)小车受到空气阻力的作用(纸带阻力等) 解析解析(1)合力做的功W=FxOE=0.446.910-2J0.188J 动能的变化量Ek=

14、m-0=0.390J-00.180J (2)虽然平衡了摩擦力,但是每次运动中空气或纸带的阻力做负功,所以 W略大于Ek。 1 2 2 E v 1 2 2 2 57.0037.80 10 2 0.1 创新角度创新角度实验装置实验装置原理图原理图创新解读创新解读 实验原理 的创新 1.运用平抛运动规律确定小物块离开C点时的速度并 计算动能。 2.利用动能定理确定摩擦力做功及动摩擦因数 实验器材 的创新 1.利用光电门和遮光片的宽度确定小车经过A、B两 点的速度。 2.小车匀速运动时,砝码盘和砝码的重力即不挂砝码 盘时小车所受的合外力 实验过程 的创新 1.小球由O点平抛的初速度由下落高度y和水平位

15、移x 决定。 2.小球由不同高度下滑,平抛的水平位移不同,作出对 应关系图线(直线) 考点三实验拓展和实验创新考点三实验拓展和实验创新 例例3某同学利用如图甲所示的装置验证动能定理。固定并调整斜槽, 使它的末端O点的切线水平,在水平地面上依次铺好木板、白纸、复写 纸。将小球从斜槽上不同的标记点由静止释放,记录小球到达斜槽底端 时下落的高度H,并根据落点位置测量出小球平抛的水平位移x,改变小 球在斜槽上的释放位置,进行多次测量,记录数据如下: 高度H(h为单位长度)h2h3h4h5h6h7h8h9h 水平位移x/cm5.59.111.714.215.917.619.020.621.7 (1)斜槽

16、倾角为,小球与斜槽之间的动摩擦因数为,斜槽底端离地 的高度为y,不计小球与水平槽之间的摩擦,若小球从斜槽上滑下的过程 动能定理成立,则应满足的关系式是。 甲乙丙 (2)以H为横坐标,以为纵坐标,在坐标纸上描点作图,如图乙所示。 (3)由第(1)(2)问可以得出结论:。 (4)受该实验方案的启发,另一同学改用图丙所示的装置实验。他将木 板竖直放置在斜槽末端的前方某一固定位置,仍将小球从不同的标记点 由静止释放,记录小球到达斜槽底端时下落的高度H,并测量小球击中木 板时平抛下落的高度d,当他以H为横坐标,以为纵坐标,描点作 图,使之仍为一条倾斜的直线,也达到了同样的目的。 答案答案(1)x2=4y

17、H(2)x2 (3)见解析(4) 1 tan 1 d 解析解析(1)小球在斜槽上运动过程中,由动能定理得mgH-mgcos =mv2;小球做平抛运动过程中,有x=vt,y=gt2,联立解得x2=4yH。 sin H 1 2 1 2 1 tan (2)要得到乙图中的线性关系,由x2=4yH可知,应以H为横坐标, 以x2为纵坐标,在坐标纸上描点作图。 (3)由第(1)(2)问可以得出结论:在实验误差允许的范围内,小球运动到斜 槽底端的过程中,合力对小球所做的功等于小球动能的增量。 1 tan (4)另一同学改用图丙的装置实验,由动能定理得mgH-mgcos= mv2,由平抛运动规律得x=vt,d=

18、gt2,联立解得=H,故他应以 H为横坐标,为纵坐标,描点作图,使之仍为一条倾斜的直线。 sin H 1 2 1 2 1 d 2 4 x 1 tan 1 d 变式变式3(2019云南玉溪一中期中)某学习小组利用如图甲所示的装置验 证动能定理。 甲乙 (1)安装好实验器材,要调节气垫导轨至水平。操作应该是不挂砝码盘 和细绳,如果滑块,则说明气垫导轨已调 整至水平状态。 (2)从装置图中读出两光电门中心之间的距离s=cm,通过图乙 所示游标卡尺测得挡光条的宽度d=mm。 (3)挡光条的宽度为d,记录挡光条通过光电门1和2所用的时间t1和t2, 并从拉力传感器中读出滑块受到的拉力F,为了完成实验,还

19、需要直接测 量的一个物理量是。 (4)实验所验证的动能定理表达式为 用(2)(3)中的字母表示。 (5)该实验是否需要满足砝码盘和砝码的总质量远小于滑块、挡光条和 拉力传感器的总质量?(填“是”或“否”)。 答案答案(1)能在气垫导轨上静止或做匀速运动或滑块经过两个光电门的 时间相等(2)50.002.25(3)滑块、挡光条和拉力传感器的总质量m (4)Fs=m-m(5)否 1 2 2 2 d t 1 2 2 1 d t 解析解析(1)实验时要调整气垫导轨水平。不挂砝码和细绳,接通气源,如 果滑块能在气垫导轨上静止或做匀速运动或滑块经两个光电门的时间 相等,则说明气垫导轨已调整至水平状态。 (

20、2)光电门1的中心对应的刻度值为20.30cm,光电门2的中心对应的刻度 值为70.30cm,所以两光电门中心之间的距离s=50.00cm。游标卡尺的 读数为d=2mm+5mm=2.25mm。 (3)要计算动能,还需要测量总质量,即滑块、挡光条和拉力传感器的总 质量m。 1 20 (4)拉力所做的功为W=Fs,滑块通过光电门1的速度为v1=,通过光电门 2的速度为v2=,故滑块的动能变化量为Ek=m-m,根据 动能定理可得Fs=m-m。 (5)该实验中,由于已经用拉力传感器测出细绳的拉力大小,不用将砝码 和砝码盘的总重力作为滑块受到的拉力,故不需要满足砝码和砝码盘的 总质量远小于滑块、挡光条和

21、拉力传感器的总质量。 1 d t 2 d t 1 2 2 2 d t 1 2 2 1 d t 1 2 2 2 d t 1 2 2 1 d t 1.(2016课标,22,6分)某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究,实验 装置如图(a)所示:轻弹簧放置在光滑水平桌面上,弹簧左端固定,右端与 一物块接触而不连接,纸带穿过打点计时器并与物块连接。向左推物块 使弹簧压缩一段距离,由静止释放物块,通过测量和计算,可求得弹簧被 压缩后的弹性势能。 图(a) (1)实验中涉及下列操作步骤: 把纸带向左拉直 松手释放物块 接通打点计时器电源 向左推物块使弹簧压缩,并测量弹簧压缩量 上述步骤正确的操作顺序是(填入

22、代表步骤的序号)。 (2)图(b)中M和L纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打 点结果。打点计时器所用交流电的频率为50Hz。由M纸带所给的数 据,可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为m/s。 比较两纸带可知,(填“M”或“L”)纸带对应的实验中弹簧被压缩 后的弹性势能大。 图(b) 答案答案(1)(2)1.29M 解析解析(1)实验步骤中,一定要注意接通打点计时器电源之后再松手释 放物块。若次序搞反,可能造成物块已离开桌面但打点计时器还没有开 始工作。 (2)从M纸带上看,最后两个数据2.58cm、2.57cm相差不大,表示物块已 经脱离弹簧,所以速度v=10-2m/s

23、=1.29m/s,同理可计算出打 下L纸带时物块脱离弹簧的速度要小一些。 2.582.57 2 0.02 2.(2019河北衡水中学期末)与打点计时器一样,光电计时器也是一种研 究物体运动情况时常用的计时仪器,如图甲所示,a、b分别是光电门的 激光发射器和接收装置。现利用如图乙所示的装置验证滑块所受外力 做功与其动能变化的关系。方法是:在滑块上安装一遮光板,把滑块放 在水平放置的气垫导轨上(滑块在该导轨上运动时所受阻力可忽略),通 过跨过定滑轮的细绳与钩码相连,连接好1、2两个光电门,在图示位置 释放滑块后,光电计时器记录下滑块上的遮光板先后通过两个光电门的 时间分别为t1、t2。已知滑块(含

24、遮光板)质量为M,钩码质量为m,两光 电门间距为s,遮光板宽度为L,当地的重力加速度为g。 丙 (1)用游标卡尺(20分度)测量遮光板宽度,如图丙所示,读数为 mm。 (2)本实验想用钩码的重力表示滑块受到的合外力,为减小这种做法带 来的误差,实验中需要满足的条件是Mm(填“远大于”“小 于”或“远小于”)。 (3)计算滑块先后通过两个光电门时的瞬时速度表达式为:v1=, v2=(用题中的字母表示)。 (4)本实验中,验证的动能定理表达式为(用题中 所给字母表示)。 答案答案(1)5.70(2)远大于(3) (4)mgs=M-M 1 L t 2 L t 1 2 2 2 L t 1 2 2 1

25、L t 解析解析(1)游标卡尺的读数为L=5mm+0.0514mm=5.70mm。 (2)对整体有mg=(M+m)a,对滑块有T=Ma,联立可得T=Ma=, 只有当Mm时,Tmg。 (3)遮光板的宽度很窄,所以遮光板通过光电门时的平均速度可近似认 为等于通过光电门时的瞬时速度,故有v1=,v2=。 (4)细绳对滑块的拉力做的功为mgs,滑块的动能变化量为M-M Mmg Mm 1 mg m M 1 L t 2 L t 1 2 2 2 L t 1 2 ,故只需要验证mgs=M-M即可。 2 1 L t 1 2 2 2 L t 1 2 2 1 L t 3.利用如图甲所示的实验装置探究恒力做功与物体动

26、能变化的关系。 小车的质量为M=200.0g,钩码的质量为m=10.0g,打点计时器的电源为5 0Hz的交流电。 图甲 (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乙所示。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。 图乙 (3)将钩码的重力视为小车受到的拉力,取g=9.80m/s2,利用W=mgx算出 拉力对小车做的功W。利用Ek=Mv2算出小车动能,并求出动能的变化 量

27、Ek。计算结果见下表。 1 2 W/10-3J2.452.923.353.814.26 Ek/10-3J2.312.733.123.614.00 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。 答案答案(1)小车做匀速运动 (2)0.228 (3)如图所示 (4)0.093 解析解析本题考查恒力做功与动能变化的关系。 (1)平衡摩擦力的方法是利用小车重力沿斜面向下的分力与摩擦力相平 衡,故在此状态下小车获得速度后能匀速运动。 (2)由题意知相邻计数点间时间间隔T=0.1s,由=得v1= m/s=0.228m