高考物理复习实验探究动能定理

物理课标版第5讲试验：探究动能定理1/30基础梳理[试验目标]1.经过试验探究外力对物体做功与物体速度关系。2.经过试验数据分析,总结出做功与物体速度平方正比关系。[试验原理]1.不是直接测量对小车做功,而是经过改变橡皮筋条数确定对小车做

功W、2W、3W…。2.因为橡皮筋做功而使小车取得速度能够由纸带和打点计时器测出,

也能够用其它方法测出。这么,进行若干次测量,就得到若干组功和速

度数据。2/303.以橡皮筋对小车做功为纵坐标,小车取得速度为横坐标,作出W-v

图线,分析这条图线,能够得知橡皮筋对小车做功与小车取得速度

定量关系。[试验器材]小车(前面带小钩)、100~200g砝码、长木板(两侧适当对称位置

钉两个铁钉)、打点计时器、纸带、学生电源(使用电火花计时器不用

学生电源)、导线、5~6条等长橡皮筋、刻度尺。3/30

2.先用一条橡皮筋做试验,用打点计时器和纸带测出小车取得速度v1,

设此时橡皮筋对小车做功为W1,将这一组数据记入表格。3.用2条橡皮筋做试验,试验中橡皮筋拉伸长度与第一次相同,这么橡

皮筋对小车做功为W2,测出小车取得速度v2,将数据记入表格。4.用3条、4条……橡皮筋做试验,用一样方法测出功和速度,记入表格。[试验步骤]1.按如图所表示将试验仪器安装好。同时平衡摩擦力。4/30[数据处理]1.测量小车速度:试验取得如图所表示纸带,为探究橡皮筋弹力做功和

小车速度关系,需要测量弹力做功结束时小车速度,即小车做匀速

运动速度,应在纸带上测量物理量是(用字母表示):A1、A2间距离

x,小车速度表示式是(用测量物理量表示)v=

(T为打点计时器打点时间间隔)。

5/30橡皮筋条数位移x/m时间t/s速度v/(m·s-1)速度平方v2/(m2·s-2)

2.试验数据统计6/303.试验数据处理及分析:在坐标纸上画出W-v和W-v2图线(“W”以

一根橡皮筋做功为单位)。

4.试验结论:从图像可知功与物体速度改变关系W∝v2。7/30[误差分析]1.误差主要起源是橡皮筋长度、粗细不一,使橡皮筋拉力做功W

与橡皮筋条数不成正比。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.利用打上点纸带计算小车速度时,测量不准带来误差。[注意事项]1.平衡摩擦力很关键,将木板一端垫高,使小车重力沿斜面向下分力与

摩擦力平衡。方法是轻推小车,由打点计时器打在纸带上点均匀程

度判断小车是否匀速运动,从而找到木板一个适当倾角。2.测小车速度时,纸带上点应选均匀部分。3.橡皮筋应选规格一样。力对小车做功以一条橡皮筋做功为单

位即可,无须计算出详细数值。4.小车质量应大一些,使纸带上打点多一些。8/30考点一试验原理与操作

典例1

[天津理综,9(2)]某同学把附有滑轮长木板平放在试验桌

上,将细绳一端拴在小车上,另一端绕过定滑轮,挂上适当钩码,使小车

在钩码牵引下运动,以此定量探究绳拉力做功与小车动能改变关

系。另外还准备了打点计时器及配套电源、导线、复写纸、纸带、

小木块等。组装试验装置如图所表示。9/30

①若要完成该试验,必需试验器材还有哪些

。②试验开始时,他先调整木板上定滑轮高度,使牵引小车细绳与木

板平行。他这么做目标是以下哪个

(填字母代号)。A.防止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点迹清楚C.能够确保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协力10/30③平衡摩擦力后,当他用多个钩码牵引小车时,发觉小车运动过快,致使

打出纸带上点数较少,难以选到适当点计算小车速度。在确保所挂

钩码数目不变条件下,请你利用本试验器材提出一个处理方法:

。④他将钩码重力做功当做细绳拉力做功,经屡次试验发觉拉力做功

总是要比小车动能增量大一些。这一情况可能是以下哪些原因造成

(填字母代号)。A.在接通电源同时释放了小车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分力平衡掉D.钩码做匀加速运动,钩码重力大于细绳拉力11/30答案①刻度尺、天平(包含砝码)②D③可在小车上加适量砝

码(或钩码)④CD解析①计算小车动能改变需用天平测质量;在计算小车经过位

移、小车瞬时速度时都需用刻度尺测距离。②只有绳与板面平行时,

才能确保小车运动中与板面间压力不变,才能确保小车所受摩擦力不

变,才能确保平衡摩擦力后绳拉力等于小车所受协力,故D正确。③要

增加纸带上所打下点数目,只有减小小车运动加速度。在所挂钩码

数目不变情况下只有增大小车质量,即在车上增加砝码或钩码。④

当将钩码重力作为小车所受协力时,需满足几个条件:一是摩擦力被平衡,二是绳与板面平行,此二者可确保绳对车拉力等于车所受协力,但

车加速运动时钩码加速下降,钩码重力大于绳上拉力,则只有当钩码质

量远小于小车质量时二者才近似相等,故此情况可能是由C、D原因造

成。12/30方法指导本试验中对小车做功应该为协力做功,试验中采取将木板倾斜方

法,使小车重力沿斜面方向分力对小车做功抵消摩擦力对小车做

功,则细绳对小车拉力做功即为协力对小车做功。

13/30在探究恒力做功与物体动能改变量关系试验中备有以下器材:A.电磁打点计时器;B.天平;C.停表;D.低压交流电源;E.电池;F.纸

带;G.细线、砝码、小车、砝码盘;H.薄木板。(1)其中多出器材是

,缺乏器材是

。(2)测量时间工具是

;测量质量工具是

。(3)图是打点计时器打出小车(质量为m)在恒力F作用下做匀加速直线

运动纸带。测量数据已用字母表示在图中,打点计时器打点周期为

T。请分析,利用这些数据能否验证动能定理?若不能,请说明理由;若能,

请说出做法,并对这种做法作出评价。

14/30答案(1)C、E毫米刻度尺(2)电磁打点计时器天平(3)看法析解析(1)计算小车速度是利用打上点纸带,故不需要停表。电磁打

点计时器应使用低压交流电源,故多出器材是C、E。测量点与点之间距离要用毫米刻度尺,故缺乏器材是毫米刻度尺。(2)测量时间工具是电磁打点计时器,测量质量工具是天平。(3)能,从A到B过程中,恒力做功为WAB=FxAB物体动能改变量为EkB-EkA=

m

-

m

=

m(

)2-

m(

)2=

m

15/30只要验证FxAB=

m

即可。优点:A、B两点距离较远,测量时相对误差较小;缺点:只进行了一次测量验证,说服力不强。16/30考点二数据处理和误差分析

典例2

(湖南衡阳联考,22)某同学为探究协力做功与物体动能改

变关系,设计了以下试验,他操作步骤是:

甲

乙17/30①按图甲摆好试验装置,其中小车质量M=0.4kg,钩码总质量m=0.1kg。②先接通打点计时器电源(电源频率f=50Hz),然后释放小车,打出一

条纸带。(1)经过屡次重复试验,他从打出多条纸带中选出一条打点清楚,如

图乙所表示。把打下第一点记作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点距离分别为d1

=0.041m,d2=0.055m,d3=0.167m,d4=0.256m,d5=0.360m…他把钩码重量

(当地重力加速度g=9.8m/s2)作为小车所受协力,算出0点到第4个计数点协力做功W=

J,打下第4个计数点时小车动能Ek=

J。

(结果保留三位有效数字)(2)此试验探究结果,他未能得到“协力对物体做功等于动能变

化”,且误差很大,主要原因有

。(只需答一条)18/30答案(1)0.2510.186(2)看法析解析(1)依据题意,物体所受协力为:F=mg=0.98N,0点到第4个计数点协力做功W=Fs=mgd4=0.251J依据匀变速直线运动中中间时刻瞬时速度等于该过程平均速度,可

求出打下第4个计数点时小车速度大小v4=

其中T=5×0.02s=0.1sd5=0.360md3=0.167m解得v4=0.965m/s则打下第4个计数点时小车动能Ek=

M

=

×0.4×0.9652J=0.186J(2)主要原因:①钩码质量太大;②没有平衡摩擦力。19/30某试验小组用图甲试验装置探究协力做功与动能改变关系。铁

架台竖直固定放置在水平桌面上,长木板一端放置在水平桌面边缘P处,

另一端放置在铁架台竖直铁杆上,使长木板倾斜放置,长木板P处放置一光电门,用光电计时器统计滑块经过光电门时挡光时间。甲20/30试验步骤是:①用游标卡尺测出滑块上挡光片宽度L,用天平测量滑块质量m。②平衡摩擦力:以木板放置在水平桌面上P处为轴,调整长木板在铁架

台上放置位置,使滑块恰好沿木板向下做匀速运动。在铁架台竖直杆

上记下此位置Q1,用刻度尺测出Q1到水平面高度H。③保持P位置不变,长木板一端放置在铁架台竖直杆Q2上。用刻度尺量

出Q1Q2距离h1,将滑块从Q2位置由静止释放,由光电门计时器读出挡光

片挡光时间t1。④保持P位置不变,重新调整长木板一端在铁架台上放置位置,重复步

骤③数次。21/30Ⅰ.滑块沿长木板由Q2运动到P处过程中,用测量物理量回答以下问

题(已知重力加速度为g):(1)滑块经过光电门速度v=

;(2)滑块动能改变量ΔEk=

;(3)滑块克服摩擦力做功Wf=

;(4)协力对滑块做功W合=

。Ⅱ.某学生以长木板在铁架台竖直杆上放置位置到Q1距离h为横坐

标,以滑块挡光片经过光电门挡光时间平方倒数

为纵坐标,根据测量数据在坐标中描点画出如图乙所表示直线,直线延长线没有过坐标

原点,其原因主要是

。乙22/30答案Ⅰ.(1)

(2)

(3)mgH(4)mgh1Ⅱ.平衡摩擦力倾角过大解析Ⅰ.(1)试验中用挡光片经过光电门平均速度作为滑块经过光

电门瞬时速度:v=

。(2)滑块动能改变量ΔEk=

mv2-0=

。(3)摩擦力被平衡时μ=tanθ=

,x是P到铁架台水平距离,滑块从Q2下滑时克服摩擦力做功Wf=μmgcosθ'×

=

×mg×(h1+H)×

=mgH。(4)协力对滑块做功W合=WG-Wf=mg(h1+H)-mgH=mgh1。Ⅱ.由题图知h=0时

>0,则表明平衡摩擦力时长木板倾角过大。23/30考点三试验改进与试验创新

典例3

(河北唐山)图甲所表示装置可用来探究做功与速度改变

关系。倾角为θ斜面体固定在试验台上,将光电门固定在斜面体底

端O点,将小球从斜面上不一样位置由静止释放。释放点到光电门距

离d依次为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm。

24/30(1)用螺旋测微器测量小球直径,如图乙所表示,小球直径D=

cm。(2)该试验

(选填“需要”或“不需要”)测量小球质量;小球通

过光电门经历时间为Δt,小球经过光电门速度为

(填字母),

不考虑误差影响,从理论上来说,该结果

(选填“<”、“>”

或“=”)球心经过光电门瞬时速度。(3)为了探究做功与速度改变关系:依次统计试验数据以下表所表示。试验次数123456d/×10-2m5.0010.0015.0020.0025.0030.00v/(m·s-1)0.690.981.201.391.551.70v2/(m·s-1)20.480.971.431.922.412.86 /(m·s-1)1/20.830.991.101.181.241.30从表格中数据分析能够得到关于“做功与速度改变关系”结论是

。25/30答案(1)0.5626(0.5624~0.5628之间均对)(2)不需要

<(3)合外力做功与小球经过光电门时速度平方成正比(或者释放点到

光电门距离d与小球经过光电门时速度平方成正比)解析(1)螺旋测微器读数为D=(5.5+12.6×0.01)mm=5.626mm=0.562

6cm。(2)依据动能定理有mgdsinθ=

mv2,消去m得gdsinθ=

,所以该试验不需要测量小球质量;小球经过光电门速度为v=

。小球沿斜面做匀加速直线运动,小球经过光电门速度能够看做Δt时间内中间时刻速度,不考虑误差影响,球心经过光电门速度能够看做D位移

内中点速度,由匀变速直线运动规律,能够判定中点速度大于中

间时刻速度。(3)分析表中数据可得出结论:合外力做功与小球经过

光电门时速度平方成正比(或者释放点到光电门距离d与小球经过

光电门时速度平方成正比)26/30方法指导本题创新之处主要表现在以下两个方面:1.用重力做功(恒力做功)代替原试验中细绳拉力做功;2.经过光电门测量速度代替原试验中经过打点纸带计算速度。

27/30(河南周口