步步高2015一轮讲义：实验05探究平抛运动的规律

1、实验五 探究动能定理考纲解读 1. 通过实验探究力对物体做功与物体速度变化的关系 .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. 第 1 页 共 10 页第 2 页 共 10 页 考点一 对实验原理及误差分析的考查例 1 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 1所示,实验主要过程如下:图 1(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 v 1、 v 2、 v 3、; (3作出 W -v 草图;(4分析 W -v 图象.如果 W -v 图象是一条直线,表明 W v ;如果不是直线,

2、可考虑 是否存在 W v 2、 W v 3、 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 、 3W 、 B .小车运动中会受到阻力,补偿的方法是使木板适当倾斜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,可能是没有使木板倾

3、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 由于选用同样的橡皮筋, 并且每次实验中橡皮筋拉伸的长度相同, 因此每条橡皮 筋对小车做的功都相同,故 A 正确;小车在运动中受到的阻力,采取平衡摩擦力的方 法补偿, 让木板固定有打点计时器的一端适当抬高, 使重力的下滑分力与阻力平衡, 故 B 正确;纸带上的点两端密、中间疏,说明小车先在橡皮筋拉力作用下加速,后在阻力 作用下减速,故 C 正确;由于橡皮筋松驰后,小车做匀速运动,此时的速度是橡皮筋 对小车做功后的最大速度, 故求速度应该用做匀速运动的那一段纸带的数据, 而不应该 用

4、从第一点到最后一点的数据来计算,故 D 错误.答案 D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“恒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 v 1与 v 2.本实

5、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 x 1、 x 2、 x 3、 x 4、 x 5, 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 E k =_(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.第 3 页 共 10 页

6、 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, W =mg (x 4-x 1 , E k = 12M (x 5-x 32T 2-(x2T 2,只要满足W E k ,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

7、M m(2mg (x 4-x 1 12M (x 5-x 32T 2-(x2T 2M8T x 5-x 32-x 22W E k 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,再测出位 移的大小,进而确定力做功的多少.例 3一物理兴趣小组用如图 4所示装置测量滑块与长为 L =1 m 的轨道之间的动摩擦因数 以及探究滑块在沿轨道向上运动时所受合力做功与动能变化的关系. 图 4(1测量滑块与轨

8、道之间的动摩擦因数.轨道上安装有两个光电门,其中光电门 1的位 置可移动. 当一带有宽度为 d =1 cm的遮光条的滑块自轨道上滑下时, 与两个光电门都 相连的计时器可以显示出遮光条通过光电门 1、 2所用的时间分别为 t 1、 t 2. 使滑块以 一定初速度下滑,调节轨道右端距桌面的高度,最终使 t 1=t 2,并用米尺测量出轨道 右端距桌面的高度 h =25 cm;则滑块与轨道之间的动摩擦因数 =_;第 4 页 共 10 页第 5 页 共 10 页(2探究滑块在沿轨道向上运动时所受合力做功与动能变化的关系. 撤掉光电门 2, 保持 实验 (1中 h 不变,在轨道右端安装一光滑的定滑轮,用细

9、绳连接滑块与力传感器 (与电 脑相连,其所受拉力可直接由电脑显示 ,细线横跨过定滑轮,传感器连接一重物,如 图 5所示, 操作:遮光条与光电门 1的距离 x 可从刻度尺上读出, 通过改变光电门的位 置, 来获得多组数据:每次均由轨道底端无初速度释放滑块, 与光电门相连的计时器显 示出每次遮光条通过光电门 1的所用的时间 t ,并做好记录,如下表所示 图 5 v =_; (保留三位有效数字 要验证所受合力做功与动能变化的关系,还需要测出的物理量是 ( A .力学传感器的质量 B .滑块与遮光条的质量 C .重物的质量D .滑块每次从静止开始滑到光电门所用的时间一位同学每次实验得到力传感器的数值都

10、为 19.8 N ,并根据以上表中数据做出了 v 2-x 图象,如图 6所示.根据图象请你求出滑块的质量 M =_.(重力加速度 g =9.8 m/s2图 6答案 (11515(2 2.50 m/s B 2 kg1.关于“探究动能定理”的实验中,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 .放小车的长木板应尽量使其水平D .先接通电源,再让小车在橡皮筋的作用下弹出 答案 D解析 实验中没有必要测出橡皮筋做功的具体数值, 只要测出后来各次橡皮筋做的功是 第一次的多少倍即可, A 错误; 为了使以后各次实验中橡

11、皮筋做的功是第一次实验时的 整数倍,必须使每次实验中橡皮筋拉伸的长度保持一致, B 错误;为了减小误差,实验 中应使长木板倾斜以平衡摩擦力, C 错误;实验中应先接通电源,然后再释放小车, D 正确.2.某学习小组做“探究功与物体速度变化的关系”的实验装置如图 7所示.图中小车在一条橡皮筋作用下弹出沿木板滑行,橡皮筋对小车做的功记为 W . 当用 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, 使每次实验中橡皮筋伸长的 长度都完全相同. 每次实验中小车获得的速度由打点计时器所打的纸带求出. 通过实验 数据分析可以得出功与物体速度变化的关系. 图 7(1实验操作中需平衡小

12、车受到的摩擦力,其最根本的目的是 _. A .防止小车不能被橡皮筋拉动B .保证橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功 C .便于小车获得较大的弹射速度 D .防止纸带上点迹不清晰(2如图 8是某同学在正确实验操作过程中得到的一条纸带, O 、 A 、 B 、 C 、 D 、 E 、 F 为 选取的计数点,相邻的两个计数点间有一个点没有画出,各计数点到 O 点的距离分别 为:0.87 cm、 4.79 cm、 8.89 cm、 16.91 cm、 25.83 cm、 34.75 cm,若打点计时器的打点 频 率 为 50 Hz , 则 由 该 纸 带 可 知 本 次 实 验 中 橡 皮 筋

13、做 功 结 束 时 小 车 的 速 度 是_m/s. 图 8答案 (1B(22.23解析 (1平衡摩擦力的根本目的是保证橡皮筋对小车做的功等于小车动能的变化,即 合外力做的功; (2由已知数据计算出相邻两点间的距离,可知 E 点速度最大,此时小 车的动能等于橡皮筋做的功.3.如图 9所示是某研究性学习小组做探究“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

14、时器 所打点的纸带测出. 图 9(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; n n n根据表中测定的数据在如图 10所示的坐标系中作出相应的图象验证理论的正确性. 图 10(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 (42W 、

15、3W 、 4W 、 5W (5v 2n 图象见解析图 (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 v 2n -W n 图 象,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 11所示,某组同学

16、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 11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,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 12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 12请计算小车所受合外力做的功 W 和小车动能的变化 E k ,补填表中空格

17、(结果保留至小 数点后第四位 . k 实验前已测得托盘质量为 7.7×10-3kg ,实验时该组同学放入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 5 0.110 5 0.015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 OF =55.75 cm ,再结合 t2v 可得打下计数点 F 时的瞬时速度 v F =OG -OE2T1.051 m/s2,故 W =F ·OF =0.111 5 J, E k =12M v 2F 0

18、.110 5 J. 根据牛顿第二定律有:对小车 F =Ma ,得 a =1.0 m/s2;对托盘及砝码 (m +m 0 g -F =(m +m 0 a ,故有 m =F g -a -m 0=0.29.8-1.0kg -7.7×10-3 kg=0.015 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轮的一端垫起,把质量为 M 的滑块通过细绳与质量 为 m 的带夹重锤跨过定滑轮相连,重锤夹后连一穿过打点计时器的纸带,调整木板倾 角,直到轻推滑块后,滑块沿木板向下匀速运动,如图 13甲所示.第二步:保持长木板的倾角不变, 将打点计时器安装在长木板靠近滑轮处, 取下细