实验六　探究动能定理—2021高中物理一轮复习学案

1、实验六探究动能定理ZHI SHI SHU LI ZI CE GONG GU知识梳理·自测巩固一、实验目的1探究外力对物体做功与物体速度变化的关系。2通过实验数据分析，总结出做功与物体速度二次方的正比关系。二、实验原理1不是直接测量对小车做功，而是通过改变橡皮筋条数确定对小车做功W、2W、3W，2.由于橡皮筋做功而使小车获得的速度可以由纸带和打点计时器测出，也可以用其他方法测出。这样，进行若干次测量，就得到若干组功和速度的数据。3.以橡皮筋对小车做的功为纵坐标，小车获得的速度为横坐标，作出Wv曲线，分析这条曲线，可以得知橡皮筋对小车做的功与小车获得的速度的定量关系。三、实验器材小车(前

2、面带小钩)、100200 g砝码、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)、56条等长的橡皮筋、_刻度尺_。四、实验步骤1按图所示将实验仪器安装好，同时_平衡摩擦力_。2.先用1条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车获得的速度v1，设此时橡皮筋对小车做的功为W1，将这一组数据记入表格。3.用2条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋_拉伸的长度_与第一次相同，这时橡皮筋对小车做的功为W2，测出小车获得的速度v2，将数据记入表格。4.用3条、4条橡皮筋做实验，用同样的方法测出功和速度，记入表格。五、数据处理1测量小车的速度：实验获得如图所示

3、的纸带，为探究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，即小车做匀速运动的速度，应在纸带上测量的物理量：A1、A2间的距离x，小车速度的表达式是v_(T为打点计时器打点的时间间隔)。2记录实验数据：把计算出的速度填入表格中并算出v2的值。橡皮筋条数位移x/m时间t/s速度v/(m·s1)速度二次方v2/(m2·s2)3.数据处理：在坐标纸上画出Wv或Wv2图线(“W”以一条橡皮筋做的功为单位)。4实验结论：从图象分析外力对物体做功与物体速度变化的关系为Wv2。六、误差分析1误差的主要来源是橡皮筋的长度和粗细不完全相同，使橡皮筋的拉力做功W与橡皮筋的

4、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时打在纸带上的点。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。这是本实验的技巧之一，这里通过转换单位的方法巧妙地解决了这一难题，这也是物理实验中常用的一种思想和手段。HE XI

5、N KAO DIAN ZHONG DIAN TU PO核心考点·重点突破考点一教材原型实验例1 (2019·山东烟台招远月考)某学习小组做“探究功与物体速度变化关系”的实验装置如图甲所示。打点计时器的工作频率为50 Hz。(1)实验中，小车会受到摩擦阻力的作用，可以将木板靠近打点计时器的一侧适当垫高来平衡摩擦阻力，则下面操作正确的是_D_。A放开小车，能够自由下滑即可B放开小车，能够匀速下滑即可C放开拖着纸带的小车，能够自由下滑即可D放开拖着纸带的小车，能够匀速下滑即可(2)实验中甲、乙两同学用两种不同的方法来实现橡皮筋对小车做功的变化。甲同学：把多余相同的橡皮筋并在一起，

6、把小车拉到相同的位置释放；乙同学：通过改变橡皮筋的形变量来实现做功的变化。你认为_甲_(填“甲”或“乙”)同学的方法可行。(3)如图乙所示是某次打出的部分纸带，A、B、C、D、E、F、G点是打点计时器依次打出的点，已知s13.59 cm，s24.21 cm，s34.73 cm，s45.20 cm，s55.20 cm，s65.20 cm，可求得小车被橡皮筋弹出后获得的最大速度为_2.60_ m/s。(4)根据多次测量的数据，可作出Wv图象，下列Wv图象符合实际的是_B_。解析本题考查探究动能定理实验中的数据处理及图象处理。(1)平衡摩擦力时，使木板适当倾斜，小车拖着纸带，能够匀速下滑，就表明已平

7、衡好摩擦力，选项D正确，A、B、C错误。(2)实验时，要保证橡皮筋的形变量相同，改变相同规格橡皮筋的条数，以改变橡皮筋对小车所做的功，橡皮筋的形变量相同，每条橡皮筋对小车做的功相同，可以用橡皮筋的条数代表橡皮筋对小车做的功，若改变橡皮筋形变量实现做功的变化，无法确定橡皮筋对小车做功的数量关系，故甲同学的方法可行。(3)当橡皮筋恢复原长后，小车速度最大，且小车做匀速直线运动，则小车获得的最大速度vm2.60 m/s。(4)由动能定理知Wmv2，选项B正确，A、C、D错误。类题演练1(2019·河南南阳期中)如图甲所示，在探究做功与动能改变之间的关系实验中，用质量为m的重物通过滑轮牵引质

8、量为M的小车，使它在长木板上运动，用打点计时器在纸带上记录小车的运动情况。实验中，先平衡摩擦力，接通电源，释放小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，将一个点标记为O，在纸带上依次取计数点。已知相邻计数点间的时间间隔为T，测得A、B、C三点到O点的距离分别为x1、x2、x3，如图乙所示。(1)实验中，除了使细线平行于木板之外，还需要保证_mM_，才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_mgx2_，当打点计时器打B点时小车的动能Ek_ _。(2)如果以v2为纵坐标，W为横坐标，利用实验数据作出v2W图象，则图象的斜率k_。解析本题考查探究动能定理实验中的注意

9、事项、实验结论及图象理解。(1)根据牛顿第二定律，对重物有mgFma，对小车有FMa，则小车所受的拉力大小Fmgmg，当mM时，小车所受的拉力大小近似为mg；从打O点到打B点的过程中，拉力对小车做的功Wmgx2；由中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度得vB，则打点计时器打B点时小车的动能EkMv。(2)由动能定理得WMv2，解得v2W，则k。考点二实验拓展创新例2 (2019·湖北重点高中联考)用图甲所示装置来探究动能定理，将一倾斜气垫导轨固定在水平桌面上，带挡光片的滑块置于导轨顶点A处，其总质量为M。导轨上有一光电门，可测挡光片通过光电门的挡光时间t，顶点A到导轨底端B点的距离

10、为d，A与B的高度差为h，挡光片宽度为b，A与光电门的距离为s，重力加速度为g，不计阻力，分析下列问题：(1)以滑块、挡光片为系统。实验时让滑块从顶点A由静止释放，当滑块刚通过光电门时，合外力对系统做的功为W_，系统动能的增加量为Ek_M()2_(用题目中给出的字母表示)。(2)改变光电门的位置，每次实验都让滑块从点A由静止下滑，然后分别测出滑块与光电门之间的距离s与挡光片通过光电门的时间t，最后根据实验中的数据得到了如图乙所示的s图象。根据所作的图象分析，该图象_可以_(填“可以”或“不可以”)验证动能定理，理由是_·s_(只需列出相关的表达式即可)。解析本题利用气垫导轨和光电门探

11、究动能定理，理解图象。(1)滑块从A点到通过光电门时，合外力对系统做的功为WMgs，通过光电门瞬间滑块和挡光片的速度为v，系统动能的增加量EkM()2。(2)若系统满足WEk，即MgsM()2，则有·s，可见s，所以该图象可以验证动能定理。类题演练2(2019·河南南阳一中月考)某同学利用如图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放好木板、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。(1)小球质

12、量为m，斜槽与水平槽均由特殊材料制成，可视为表面光滑，斜槽底端离地的高度为y，重力加速度为g，小球从斜槽上滑下至斜槽末端的过程中，合外力的总功W_mgH_;_动能改变量Ek_。(2)以H为横坐标，以_x2_为纵坐标，在坐标图上描点作图，若为一条倾斜的直线，则可以得出结论：在实验误差允许的范围内，小球运动到斜槽底端的过程中，合外力对小球所做的功等于小球动能的增量。解析本题考查利用平抛运动规律探究动能定理实验。(1)小球从斜槽上滑下至斜槽末端的过程中，合外力的总功WmgH。由平抛运动规律得xv0t，ygt2，由以上两式解得v0x，小球动能改变量Ekmv。(2)由动能定理得mgH，以H为横坐标，以x

13、2为纵坐标，则图线是一条倾斜的直线。2 NIAN GAO KAO MO NI XUN LIAN2年高考·模拟训练1(2019·江苏，10)某兴趣小组用如题图1所示的装置验证动能定理。(图1)(1)有两种工作频率均为50 Hz的打点计时器供实验选用：A电磁打点计时器B电火花打点计时器为使纸带在运动时受到的阻力较小，应选择_B_(选填“A”或“B”)。(2)保持长木板水平，将纸带固定在小车后端，纸带穿过打点计时器的限位孔。实验中，为消除摩擦力的影响，在砝码盘中慢慢加入沙子，直到小车开始运动。同学甲认为此时摩擦力的影响已得到消除。同学乙认为还应从盘中取出适量沙子，直至轻推小车观察

14、到小车做匀速运动。看法正确的同学是_乙_(选填“甲”或“乙”)。(3)消除摩擦力的影响后，在砝码盘中加入砝码。接通打点计时器电源，松开小车，小车运动。纸带被打出一系列点，其中的一段如题图2所示。图中纸带按实际尺寸画出，纸带上A点的速度vA_0.31(0.300.33都算对)_m/s。(图2)(4)测出小车的质量为M，再测出纸带上起点到A点的距离为L。小车动能的变化量可用EkMv算出。砝码盘中砝码的质量为m，重力加速度为g。实验中，小车的质量应_远大于_(选填“远大于”“远小于”或“接近”)砝码、砝码盘和沙子的总质量，小车所受合力做的功可用WmgL算出。多次测量，若W与Ek均基本相等则验证了动能

15、定理。解析(1)电磁打点计时器打点计时时振针与纸带之间的摩擦较大；电火花打点计时器是电磁脉冲产生的电火花在纸带上打点，纸带所受阻力较小，故选B项。(2)由于刚开始运动，拉力克服最大静摩擦力，而最大静摩擦力略大于滑动摩擦力，故平衡摩擦力的两种说法中，乙同学正确。(3)取与A点相邻的两点。用毫米刻度尺测出两点之间的距离，如图所示。用平均速度表示A点的瞬时速度，vA m/s0.31 m/s。(4)本实验要验证的表达式是mgLMv，用砝码的重力表示拉力的前提是mM。2(2019·江西南昌十中期中)如图甲所示是某同学验证动能定理的实验装置。他的步骤如下：a易拉罐内盛上适量细沙，用轻绳通过滑轮连

16、接在小车上，小车连接纸带。合理调整木板倾角，让小车沿木板匀速下滑。b取下轻绳和易拉罐，测出易拉罐和细沙的质量m及小车质量M。c取下轻绳和易拉罐后，换一条纸带，让小车由静止释放，打出的纸带如图乙(中间部分未画出)，O为打下的第一个点。已知打点计时器的打点频率为f，重力加速度为g。(1)步骤c中小车所受的合外力为_mg_。(2)为验证从O到C过程中小车所受合外力做功与小车动能变化的关系，测出B、D间的距离为x0，O、C间的距离为x1，则C点对应的小车速度为_。需要验证的关系式为_mgx1_(用所测物理量的符号表示)。解析本题考查根据改进实验探究动能定理的数据处理。(1)小车沿木板匀速下滑时受到重力

17、、支持力、摩擦力和拉力，由平衡条件知，小车所受合外力为零；撤去拉力后，其余力不变，故小车所受合外力等于撤去的易拉罐和细沙的重力mg。(2)由中间时刻的速度等于这段时间内的平均速度，可知C点对应的小车速度vC，小车动能的增量EkMv，合外力对小车做的功为Wmgx1，故需要验证的关系式为mgx1。3(2020·山东邹城二中模拟)在“探究功与速度变化的关系”实验中，采用如图甲所示装置，水平正方形桌面距离地面高度为h，将橡皮筋的两端固定在桌子边缘上的两点，将小球置于橡皮筋的中点，向左移动s距离，使橡皮筋产生形变，小球由静止释放后，飞离桌面，测得其平抛的水平射程为L。改变橡皮筋的条数，重复实验。(1)实验中，小球每次释放的位置到桌子边缘的距离s应_相同_。(填“不同”“相同”或“随意”)