一轮复习 实验五 研究合外力做功和动能变化的关系

1、实验五研究合外力做功和动能变化的关系考纲解读 1.通过实验探究力对物体做功与物体动能变化的关系.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实验目的研究合外力做功和动能变化的关系2实验原理由重物通过滑轮牵引小车，当小车的质量比重物大得多时，可以把重物所受的重力当作小车受到的牵引力，如实验原理图所示改变重物的质量或者改变小车运动的距离，也就改变了牵引力做的功，从而探究牵引力做功与小车动能变化的关系3实验器材长木板(一端附有滑轮)、小车、砝码若干、天平、纸带、复写纸、打点计时器、刻度尺、细绳4.实验步骤(1)如实验原理图所示把纸带的一端固定在小车后面，另一端穿过打点计

2、时器的限位孔，垫高木板一端，平衡小车及纸带受到的摩擦力，使小车能在木板上匀速运动(2)把细绳系在小车上并绕过定滑轮，悬挂小盘，在小盘里放入适量砝码，使小车的质量远大于砝码和小盘的总质量，小车在细绳的拉力作用下做匀加速运动由于砝码和小盘的总质量很小，可认为小车所受拉力f的大小等于砝码和小盘所受重力的大小(3)接通电源，放开小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列点(4)重复以上步骤，选择一条点迹清晰的纸带进行数据分析，结合拉力f与小车质量m的数值，计算出小车运动到打下各计数点时合外力对它做的功w以及小车所增加的动能ek，看它们是否相等5实验结论在误差允许的范围内，合外力所做的功等

3、于物体动能的变化规律方法总结1数据处理(1)利用“匀变速直线运动中，某段时间内的平均速度等于该段时间中间时刻的瞬时速度”这一结论计算纸带上选定的点对应的速度，测出小车某段时间内的位移，计算合外力在该段时间内对小车做的功w和小车动能的变化量ek，填入表格中：123456wek(2)比较各次实验中合外力做的功和物体动能变化的数值，从而得到合外力对物体做的功和物体动能变化的关系.2.注意事项(1)平衡摩擦力当我们用一个恒力对物体做功时，应设法排除其他力的影响，如本实验中用砝码和小盘的重力对小车提供恒定拉力，研究这个拉力做功与小车动能变化的关系，小车和纸带在运动中所受的阻力就要消除因为阻力不可避免，实

4、际操作中是采用把木板的一端垫高，用小车重力的分力和阻力平衡的方法来等效消除阻力的影响(2)尽量减小小车的加速度因为砝码和小盘拉着小车加速运动时，砝码和小盘处于失重状态，小车受到的拉力小于砝码和小盘的总重力为减小这一系统误差，应使小车的加速度尽量小，也就是实验中必须满足砝码和小盘的总质量远小于小车的质量3误差分析实验中我们把拉力对小车做的功与砝码和小盘总重力所做的功认为是一样的，但实际上二者并不相同，这是因为砝码和小盘的总重力与绳的拉力是不一样的在mm时，细绳的拉力近似等于砝码和小盘的总重力，误差较小；m越大，误差越大因此实验中应使小车的质量远大于砝码和小盘的总质量.考点一对实验原理及误差分析的

5、考查例1科学规律的发现离不开科学探究，而科学探究可以分为理论探究和实验探究下面我们追寻科学家的研究足迹用实验方法探究恒力做功和物体动能变化的关系图1(1)某同学的实验方案如图1甲所示，他想用钩码的重力表示小车受到的合外力，为了减小这种做法带来的实验误差，你认为在实验中还应该采取的两项措施是：_；_.(2)如图乙所示是某次实验中得到的一条纸带，其中a、b、c、d、e、f是计数点，相邻计数点间的时间间隔为t，距离如图乙所示，则打c点时小车的速度为_；要验证合外力做的功和小车动能变化的关系，除位移、速度外、还要测出的物理量有_答案(1)平衡摩擦力使钩码的重力远小于小车的重力(2)钩码的重力和小车的质

6、量考点二对实验步骤和实验数据处理的考查例2某探究学习小组的同学欲探究“合外力做功与物体动能变化的关系”，他们在实验室组装了一套如图2所示的装置，另外他们还找到打点计时器以及学生电源、天平、刻度尺、细线、复写纸、纸带、小桶和砂子若干并将小车连接上纸带，用细线通过滑轮挂上小砂桶图2(1)某同学的实验步骤如下：用天平称量小车的质量m和砂与小桶的总质量m.让砂与小桶带动小车加速运动，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，测出这两点的间距为l，算出打这两点的速度v1与v2.本实验装置图(准备放开小车时刻)中有什么缺点或错误？要完成本实验，还缺哪些重要实验步骤？本实验认为小车所受合外

7、力等于砂与小桶的总重力，则应控制的实验条件是什么？(2)在实验操作正确的前提下，若挑选的一条点迹清晰的纸带如图3所示，已知相邻两个点间的时间间隔为t，从a点到b、c、d、e、f点的距离依次为x1、x2、x3、x4、x5，则由此可求得纸带上由b点到e点所对应的过程中，合外力对小车所做的功w_；该小车动能改变量的表达式为ek_(结果用题中已知物理量的符号表示)；若满足_，则动能定理得证图3解析本题考查探究“恒力做功与物体动能变化的关系”的实验，意在考查学生对该实验的理解(1)由实验过程以及实验装置图可知，实验装置图中细线与轨道平面应平行；初始时刻，小车应紧靠打点计时器；所缺步骤为：调节轨道的倾斜程

8、度，使小车在无拉力时能在轨道上匀速运动(或平衡摩擦力)；(2)由做功及动能变化量可知，wmg(x4x1)，ekm()2()2，只要满足wek，则动能定理得证答案(1)细线与轨道平面应平行；初始时刻，小车应紧靠打点计时器调节轨道的倾斜程度，使小车在无拉力时能在轨道上匀速运动(或平衡摩擦力)mm(2)mg(x4x1)m()2()2或(x5x3)2xwek创新实验设计1本实验中虽然不需计算出橡皮筋每次做功的具体数值，但需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

9、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研究“合外力做功与物体动能变化的关系”如图4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4(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

10、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5中的方格

11、纸上作出ew图线图5解析(1)在实验过程中拉力对小车、砝码和传感器做功使小车、砝码和传感器的动能增加，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)利用图像法处理数据，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1在“探究合外力做功和动能变化的关系”的实验中，根据实验数据作出了如图所示的wv图像，下列符合实际的是()答案b解析根据实验探究知道wv2，故wv图像应是开口

12、向上的抛物线的一部分，故b对，a、c、d错2某同学用如图6所示的实验装置探究小车动能变化与合外力对它做功的关系图中a为小车，连接在小车后面的纸带穿过打点计时器b的限位孔，a，b均置于足够长的水平木板上，木板一端带有定滑轮，定滑轮上挂重物p，c为弹簧测力计不计绳与滑轮的摩擦实验时，先接通电源再松开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点图6图7(1)弹簧测力计的读数为_ n.(2)该同学在一条比较理想的纸带上，从点迹清楚的某点开始记为k点，再顺次选取6个点，分别记为0、1、2、3、4、5点，先测量0点到k点的距离x0，之后测量另5个点到0点的距离x.求出6个点对应的速度大小，计算出1、2、3、4、5

13、点与0点之间的速度平方差v2v2v，然后在坐标纸中建立v2x坐标系，并根据测得的数据进行如图7所示的描点根据图像，小车的加速度大小是_ m/s2，若测出小车质量为0.6 kg，结合图像可求得小车所受合外力的大小为_ n(结果小数点后保留两位数字)(3)该同学通过计算发现测力计读数大于小车所受合外力，要让弹簧测力计的读数等于小车所受合外力，应该采取的措施是_(填选项序号)a增大重物p质量、使p质量远大于小车a质量b增大小车a质量，使a质量远大于小车p质量c适当抬高木板右端，平衡摩擦力d适当抬当木板左端，平衡摩擦力答案(1)2.50 n(2)1.250.75(3)d3如图8所示是某研究性学习小组做

14、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8(1)除了图中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；(4)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； 数据物理量橡皮筋做

15、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v1w0.2000.220.2800.230.3000.240.4000.250.4500.2(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9所示的坐标系中作出相应的图像验证理论的正确性图9(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_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)v图像见解析图(6)分析误差来源，改进实验方案或测量手段，重新进行实验解析(1)计算小车速度

16、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vwn图像，如图所示(6)分析误差来源，改进实验方案或测量手段，重新进行实 验4(2013四川理综8(2)如图10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10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，改变长木板倾斜程度

17、，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，通过实验得到图11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11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/j0.04320.05720.07340.0915ek/j0.04300.05700.07340.0907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7.7103kg，实验时该组同学放入

18、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/s2，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 kg5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