2013届第五单元功和能第5节实验六探究动能定理解析

1、2013 届新课标高考物理总复习学案第五单元功和能第 5 5 节实验六探究动能定理直$实验;理爸)指导一实验目的(1) 探究外力对物体做功与物体速度的关系。(2) 会用图像法处理实验数据，通过对实验数据分析，总结出做功与物体速度平方的关系。二实验原理(1)采用如图实6- 1 所示装置，让小车在橡皮筋作用下弹 出，使小车获得速度后沿木板匀速滑行。当用一条橡皮 筋弹出时对小车做的功记为 W，则用两条、三条完全相 同的橡皮筋并在一起进行第 2 次、第 3 次实验，每次 橡皮筋都拉伸到同一位置释放时，实验中橡皮筋对小车做的功就是 2W、3W图实一 61(2)由于橡皮筋每次实验做的功使小车获得的速度根据

2、打点 计时器打出的纸带得到。当得出若干组功和速度的数据 后，以橡皮筋对小车做的功 W 为纵坐标，分别以小车获 得的速度 v、v2为横坐标，以第 1 次实验时的功 W 为 单位，用描点法分别作出 W v、W v2曲线，分析 曲线，得出橡皮筋对小车做的功与小车速度的定量关系。Cl实验器材小车(前面带小钩)、长木板(两侧适当的对称位置钉两个铁钉)、打点计时器及纸带、 学生电源及导线(使用电火花计时器不用学生电源 卜 56 条等长的橡皮筋、刻度尺。即实验步刁T(1) 按图中所示将实验仪器安装好。(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

3、，纸带打出的点间距均匀，即小车能匀速运动 为止。橡皮筋橡皮筋分别用 1 条、2 条、3 条、4 条橡皮筋做实验，实验 中橡皮筋拉伸的长度都与第一次相同。这时橡皮筋对 小车做的功分别为 W、2W、3W，标记好每次实验 得到的纸带。五数据处理1 1.测量小车的速度实验获得如图实-6 6-2 2 所示的纸带，为探究|.i iAjAjAi橡皮筋弹力做的功和小车速度的关系，需要测量弹力做功结束时小车的速度，即小图实一 6 6-2 2车做匀速运动的速度，应在纸带上测量的物理量是：A Ai、A A2间的距离 x x,小车速度的表达式是v = (T(T 为打点计时器打点的时间间隔) )，把实验中得到的纸带分别

4、用同样的方法 处理得到小车的速度，并运算速度的平方，实验数据记录 在下列表格中。橡皮筋条数位移 x/m时间 t/s速度 v/(m s1)速度平方 v2/(m2s-2)2实验数据的分析在坐标纸上画出 W v 和 W v2 图线(“ W”以一条橡皮筋做的功为单位)。图实6 33.实验结论由图像可知功与物体速度变化的关系为W x v2o六注意事项(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做匀 速运动，找到木板一个合适的倾角。(2) 测小车速度时，应选纸带上点距均匀的部分，也就是选小车做匀速运动

5、时打在纸带上的点。(3) 橡皮筋应选规格一样的且每次拉伸长度一样。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。七误差分析(1) 误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋的拉力做的功 W 与橡皮筋的条数不成正比。(2) 没有完全平衡摩擦力(倾角小)或平衡摩擦力过度(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，测量不准确带来误。万案 1如图实-64 所示， 将拉力传感器固定在小车上， 拉力传感器可以记录小车受到 的拉力大小，在水平桌面上相距一定距离L 的 A、B 两点各安装一个速度传感器，分别记录小车通过 A、B 时的速度大小，改变钩码的数量，分

6、别得到对应拉力的功W 和厶 v2(即 vA2vB2)，也可验证得到 Wx v2 的结论。图实一 6-4万案 2如图实一 6-5 甲所示将纸带固定在重物上，让纸带穿过电火花计时器或电磁打点 计时器。先用手提着纸带，使重物静止在靠近计时器的地方。然后接通电源，松开纸带，让 重物自由下落，计时器就在纸带上打下一系列小点。得到的纸带如图乙所示。图实一 6 50 点为计时器打下的第 1 个点，在纸带上取相等距离的点A、B、C，运算得到 vA2、vB2、vC2,重物从 0 到 A、B、C重力所做的功分别为 W、2W、3W 由此，也可验证得 Wxv2 的结论。考査点一对实验原理的考查例 1 “探究动能定理”

7、的实验装置如图实一 6 6 所示，当小车在两条橡皮筋作用下弹出 时，橡皮筋对小车做的功记为 W0，当用 4 条、6 条、8 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- 每次实验中由静止弹出的小车获得的最大速度可由打点计时器所打的纸带测出。考情案例导析速度传感晋I I甲电火花计时器亠打点计时器图实一 66关于该实验，下列说法正确的是。A 打点计时器可以用直流电源供电，电压为46VB 实验中使用的若干根橡皮筋的原长可以不相等C.每次实验中应使小车从同一位置由静止弹出D .利用每次测出的小车最大速度vm 和橡皮筋做的功

8、W,依次作出 W vm、W vm2、W vm3、W2 vm、W3 vm 的图像，得出合力做功与 物体速度变化的关系(2)如图实一 6 7 给出了某次在正确操作情况下打出的纸带，从中截取了测量物体最大速度所用的一段纸带，测得0 点到 A、B、C、D、E 各点的距离分别为0A= 5.65 cm , OB = 7.12 cm , OC = 8.78 cm , OD = 10.40 cm , OE = 11.91 cm。已知相邻两点打点时间间隔为0.02 s,则小车获得的最大速度vm =_m/s。运动方向图实一 67答案(1)CD(2)0.83考査点二实验数据的处理及误差分析例 2某同学用如图实一 6

9、 8 所示的实验 装置探究小车动能变化与合外力对它所做 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，它 们均置于水平放置的一端带有定滑轮的足够 长的木板上，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。(1)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分别测量这 5 个点到 O 之间的距离，并计算出它们与 O 点之间的速度平方差 v2( v2 = v2 v02)，填入下表：点迹x/cmv2/(m2s&O/11.600.0423.600.0936.000.1547.000.1859.20

10、0.23请以 v2 为纵坐标，以 x 为横坐标在图实6 9 方格纸中作图实一 6 8出厶 v2 x 图像。若测出小车质量为 0.2 kg ,结合图像可求 得小车所受的合外力的大小为_ N。图实一 69(2)若该同学通过计算发现小车所受合外力小于测力计读数，明显超出实验误差的正常范围。你认为主要原因是 _，实验操作中改进的措施是_ 。解析(1)根据表中数据在 v2 x 坐标系中描点，然后用直线连接各点，如图所示。由动能定理得：12 2F合x = qm(v v0)所以：22F合v二 mx，由图像得：k = 2.5 ,再由 k= 得：m(2)测力计测的是细绳的拉力，小车还受到水平向左的 摩擦力，因此

11、小车受的合力小于测力计的读数。在木 板左端垫上一个小木块，使左端稍微高一点，以平衡 摩擦力。答案(1)图像见解析 0.25(2)小车滑行时所受摩擦阻力较大使木板倾斜一定的角度以平衡摩擦力考査点三创新实验设计例 3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,合=km2=0.25 N采用了如图实一 6 10 甲所示的“探究物体加速度与物体质量、受力之间关系”的实验装置。长木板水平实 丨 矗台钩码A H CDE Z *|111- -. . .1 Ax,Ax?心曲1Ajfi1工吊1乙图实一 6 10(1) 实验时，该同学想用钩码的重力表示滑块受到的合力，为了减小这种做法带

12、来的实验误差，你认为在实验中应该采取的两项措施是 _ 和_。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,相邻计数点间距离已在图中标出， 测出滑块的质量为 M，钩 码的总质量为 m。从打 B 点到打 E 点的过程中，为达到实验目的，该同学应该寻找 _和_ 之间的数值关系(用题中和图中的物理量符号表示)。解析(1)只有钩码的总质量远小于滑块质量且平衡摩擦 力才能实现钩码的重力近似等于滑块所受合力。实验的目的就是探究恒力做功和物体动能变化之间的关系，从 B 至UE,恒力做功即 mg( &2+AX3+AX4) )，动能、八1

13、AX4+从521AX1+ AX22匕= 宀心变化2M(2T) )22M(2T) )2，所以需要寻找它们之间的关系。答案(1)保证钩码的总质量远小于滑块的质量平衡摩擦力(2) mg( A( (2+ AX3+A( (4) )1AX4+ AX521AX1+ AX222M(2T) 2M(2T)每课一测1.关于“探究动能定理”的实验，下列叙述正确的是()A .每次实验必须设法算出橡皮筋对小车做功的具体数值B 每次实验中，橡皮筋拉伸的长度没有必要保持一致C.放小车的长木板应该尽量使其水平打点计时器爭块细线滑轮D 先接通电源，再让小车在橡皮筋的作用下弹出解析：本实验没有必要测出橡皮筋做的功到底是多少焦耳，只

14、要测出以后各次实验时橡必须保持一致，只有这样才能保证以后各次实验时，橡皮筋做的功是第一次实验时的整数倍，B 不正确；小车运动中会受到阻力，只有使木板倾斜到一定程度， 平衡掉摩擦力才能减小误差，C 不正确；实验时，应该先接通电源，让打点计时器开始工作，然后再让小车在橡皮筋 的作用下弹出，D 正确。答案：D2探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系，实验装置如图实一 6- 11所示，实验主要过程如下：(1) 设法让橡皮筋对小车做的功分别为W、2W、3W(2) 分析打点计时器打出的纸带，求出小车的速度V1、V2、V3(3) 作出 W v 草图；(4) 分析 W 一 v 图像。如果 W v

15、图像是一条直线，表明 W* v;如果不是直线，可考虑 是否存在 W*v2、W*v3、W* v 等关系。以下关于该实验的说法中有一项不 正确，它是_。A .本实验设法让橡皮筋对小车做的功分别为W、2W、3W、所采用的方法是选用同样的橡皮筋，并在每次实验中使橡皮筋拉伸的长度保持一致。当用 1 条橡皮筋进行实验时，橡皮筋对小车做的功为 W,用 2 条、3 条橡皮筋并在一起进行第2 次、第 3 次实验时，橡皮筋对小车做的功分别是2W、3WB 小车运动中会受到阻力，补偿的方法：可以使木板适当倾斜。C. 某同学在一次实验中得到一条记录纸带。纸带上打出的点，两端密、中间疏。出现 这种情况的原因可能是没有使木

16、板倾斜或倾角太小。D. 根据记录纸带上打出的点， 求小车获得的速度的方法是以纸带上第一点到最后一点 的距离来进行计算。解析：放开小车之后，小车在橡皮筋的作用下开始加速运动， 等到橡皮筋与小车分离之 后，小车做匀速直线运动。本实验中测的速度是小车匀速运动的速度，而不是整个过程的平皮筋做的功是第一次实验时的多少倍就已经足够了,A 不正确；每次实验橡皮筋伸长的长度图实一 6 11均速度，因此研究纸带上打下的点一定是那些均匀分布的点。答案：D3在“探究恒力做功与物体的动能改变量的关系”的实验中备有下列器材：A.电磁打点计时器；B.天平；C.秒表；D.低压交流电源；E.电池；F.纸带；G 细线、砝码、小

17、车、砝 码盘；H.薄木板。其中多余的器材是_ ，缺少的器材是_。（2）_ 测量时间的工具是_ ;测量质量的工具是。（3）如图实一 6- 12 所示是打点计时器打出的小车（质量为 m）在恒力作用下做匀加速直线运动的纸带。测量数据已用字母表示在图中，打点计时器的打点周期为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，并对这种做法做出评价。1T订* *TF.A f*-Xn-图实一 6 12解析：（1）计算小车速度是利用打上点的纸带，故不需要秒表。电磁打点计时器应使用低压交流电源，故多余的器材是C、E。测量点与点之间的距离要用毫米刻度尺，故缺少的器材是毫米刻度尺。测量

18、时间的工具是电磁打点计时器，测量质量的工具是天平。能。从 A 到 B 的过程中，恒力做的功为WAB= FXAB,2 21物体动能的变化量为 EkB EkA= mvB mvA= 口（亓）口（亓）3m（2）=尹尹 厶丁厶丁？,图实一 6 13只要验证即可。斛&尊;器厂块畔澈轮水平实验台（1）该学习小组的同学想用砂和砂桶的重力作为滑块受到的合外力，探究滑块所受合外力做功与滑块动能变化的关系。为了实现这个想法，该小组成员提出了以下实验措施，你认为有效的有_。A保持砂和砂桶的质量远大于滑块的质量B 保持砂和砂桶的质量远小于滑块的质量C.保持长木板水平D .把长木板的左端垫起适当的高度以平衡摩擦力

19、E.调整滑轮的高度使细线与长木板平行如图实一 6- 14 为实验中打出的一条纸带，现选取纸带中的B、K 两点来探究滑块所受合外力做功与滑块动能变化的关系。已知打点计时器的打点周期为T,重力加速度为 g。在本实验中需要测量的物理量有：砂和砂桶的质量mi、滑块的质量 m2. A、C 间的距离 si,J、L 间的距离 S2, B、K 间的距离 s。本实验探究结果的表达式为 _。（用测量物理量相应的字母表示）紳电 冬 I$ 丫图实一 6 14解析：（1）砂和砂桶的总质量越小，产生的加速度越小，细线拉力越接近砂和砂桶的重力，误差越小，故 B 正确；由于滑块受到长木板的摩擦力作用，因此要先平衡摩擦力，D正

20、确；为了使细线拉力与滑块运动方向平行，需调整滑轮的高度使细线与长木板平行，E 正确。（2）选择 B、K 之间的过程研究误差较小，对滑块，合外力可视为砂和砂桶的重力，做功S1S2一一12121 S2 2为 W= m1gSoB、K 两处的速度分别为 VB= 2T，VK= 2T，动能变化为？m2VK ?m2VB= ? ?口口2（牙（牙）-如2（霁（霁2，故探究结果的表达式为 m1gS=如2（弄）（弄）21m2（2ST）2o答案：（BDE（2）m1gS=如2（为（为2如2（冷（冷25为了探究恒力作用时的动能定理，某同学做了如下实验，他让滑块在某一水平面上 滑行，利用速度采集器获取其初速度v,并测量出不

21、同初速度的最大滑行距离x,得到下表所示几组数据：数据组1234561v/(m )00.160.190.240.300.49x/m00.0450.0750.1110.1630.442(1)一同学根据表中数据，作出Xv 图像如图实一 6- 15 甲所示。观察该图像，该同学作出如下推理：根据 X v 图像大致是一条抛物线，可以猜想，X 可能与 V1 2 3成正比。请在图乙所示坐标纸上选择适当的坐标轴作出图线验证该同学的猜想。解析：(1)做出 X V2的图线如图所示。(2)由图可以看出，滑块滑行的最大距离 x 与滑块初速度平方 V2成正比。即：XX/2。答案：(1)见解析图(2)XXV26某同学利用打

22、点计时器、已知质量为 m 的滑块、可调节高度的斜面、直尺等仪器进行“探究动能定理”的实验，如图实-6 16 所示，他首先将打点计时器固定在斜面的上端，并将滑块与纸带相连，让纸带穿过打点计时器，接通低压交流电源(已知其频率为 f)后释放图实-6- 16滑块，打点计时器在纸带上打下一系列记数点。回答下列问题：(用已知字母表示)2 写出影响滑块动能变化的主要因素 _ 。3 该实验探究中为了求合外力，应先求出滑块与斜面的动摩.擦因数。该同学通过多次调节斜面的高度，得到一条打点间距均图实一 6- 17匀的纸带，如图实一 6- 17 所示，此时相对应的斜面长为L、斜面高为 h。由此可求出滑块与斜面的动摩擦因数为尸_ 。(3)保持斜面长度不变，升高斜面高度到 H(Hh)，该同学在实验中得到一条打点清晰的纸带，如图实一6- 18 所示，用直尺测出 X1、X2、X3,对 A、B 两点研究：此时滑块在 A、B 两点的 速度大