世纪金榜·2016高考物理一轮配套课件：实验05-探究动能定理

1、实验五探究动能定理实验目的和器材实验目的和器材实验实验目的目的1.1.通过实验探究外力做功与物体速度变化的关通过实验探究外力做功与物体速度变化的关系。系。2.2.通过实验数据分析通过实验数据分析, ,总结出外力做功与物体速总结出外力做功与物体速度平方的正比关系。度平方的正比关系。实验实验器材器材小车小车( (前面带小钩前面带小钩) )、长木板、长木板( (两侧适当的对称位两侧适当的对称位置钉两个铁钉置钉两个铁钉) )、打点计时器及纸带、学生电源、打点计时器及纸带、学生电源及导线及导线( (若使用电火花计时器则不用学生电源若使用电火花计时器则不用学生电源) )、5 5、6 6条等长的橡皮筋、毫米

2、刻度尺。条等长的橡皮筋、毫米刻度尺。实验原理实验原理1.1.改变功的大小：采用如图所示的实验装置改变功的大小：采用如图所示的实验装置, ,用用1 1条、条、2 2条、条、3 3条条规格同样的橡皮筋将小车拉到同一位置由静止释放规格同样的橡皮筋将小车拉到同一位置由静止释放, ,橡皮筋橡皮筋拉力对小车所做的功依次为拉力对小车所做的功依次为W W、2W2W、3W3W2.2.确定速度的大小：小车获得的速度确定速度的大小：小车获得的速度v v可以由纸带和打点计时器测可以由纸带和打点计时器测出出, ,也可以用其他方法测出。也可以用其他方法测出。3.3.寻找功与速度变化的关系：以橡皮筋拉力所做的功寻找功与速度

3、变化的关系：以橡皮筋拉力所做的功W W为纵坐标为纵坐标, ,小车获得的速度小车获得的速度v v为横坐标为横坐标, ,作出作出W-vW-v或或W-vW-v2 2图像。分析图像图像。分析图像, ,得出橡得出橡皮筋拉力对小车所做的功与小车获得的速度的定量关系。皮筋拉力对小车所做的功与小车获得的速度的定量关系。【实验过程】【实验过程】一、实验步骤一、实验步骤1.1.按原理图将仪器安装好。按原理图将仪器安装好。2.2.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, ,反反复移动木板的位置复移动木板的位置, ,直至小车上不挂橡皮筋时直至小车上

4、不挂橡皮筋时, ,轻推小车轻推小车, ,纸带打出的纸带打出的点间距均匀点间距均匀, ,即小车能匀速运动为止。即小车能匀速运动为止。3.3.先用先用1 1条橡皮筋做实验条橡皮筋做实验, ,用打点计时器和纸带测出小车获得的速度用打点计时器和纸带测出小车获得的速度v v1 1, ,设此时橡皮筋对小车做的功为设此时橡皮筋对小车做的功为W,W,将这一组数据记入表格。将这一组数据记入表格。4.4.用用2 2条橡皮筋做实验条橡皮筋做实验, ,实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次相同实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次相同, ,这时这时橡皮筋对小车做的功为橡皮筋对小车做的功为2 W,2 W,测出小车获得的速度测出小车获得

5、的速度v v2 2, ,将数据记入表格。将数据记入表格。5.5.用用3 3条、条、4 4条条橡皮筋做实验橡皮筋做实验, ,用同样的方法测出功和速度用同样的方法测出功和速度, ,记入表记入表格。格。二、数据处理二、数据处理1.1.测量小车的速度：实验获得如图所示的纸带测量小车的速度：实验获得如图所示的纸带, ,为探究橡皮筋弹力做为探究橡皮筋弹力做的功和小车速度的关系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需要测量弹力做功结束时小车的速度, ,即小车即小车做匀速运动的速度做匀速运动的速度, ,应在纸带上测量的物理量：应在纸带上测量的物理量：A A1 1、A A2 2间的距离间的距

6、离x,x,小小车速度的表达式是车速度的表达式是v= (Tv= (T为打点计时器打点的时间间隔为打点计时器打点的时间间隔) )。xT2.2.记录实验数据：把计算出的速度填入表格中并算出记录实验数据：把计算出的速度填入表格中并算出v v2 2的值。的值。橡皮筋橡皮筋条数条数位移位移x/mx/m时间时间t/st/s速度速度v/msv/ms-1-1速度平方速度平方v v2 2/m/m2 2ss-2-23.3.数据处理：在坐标纸上画出数据处理：在坐标纸上画出W-vW-v或或W-vW-v2 2图线图线(“W”(“W”以一条橡皮筋做以一条橡皮筋做的功为单位的功为单位) )。4.4.实验结论：从图像分析外力对

7、物体做功与物体速度变化的关系为实验结论：从图像分析外力对物体做功与物体速度变化的关系为WvWv2 2。【误差分析】【误差分析】类型类型产生原因产生原因减小方法减小方法偶然偶然误差误差小车速度的测量小车速度的测量误差误差多次测量多次测量x,x,求平均值求平均值摩擦力做功摩擦力做功平衡摩擦力适当平衡摩擦力适当系统系统误差误差橡皮筋的长度、橡皮筋的长度、粗细不一粗细不一选规格相同的橡皮筋选规格相同的橡皮筋【注意事项】【注意事项】1.1.平衡摩擦力：将木板一端垫高平衡摩擦力：将木板一端垫高, ,使小车的重力沿斜面向下的分力与使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡。方法：使小车连着纸带并接通电源摩擦

8、阻力平衡。方法：使小车连着纸带并接通电源, ,轻推小车轻推小车, ,由打点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, ,找到长找到长木板的一个合适的倾角。木板的一个合适的倾角。2.2.选点测速：测小车的速度时选点测速：测小车的速度时, ,纸带上的点应选均匀部分的纸带上的点应选均匀部分的, ,也就是选也就是选小车做匀速运动时的部分。小车做匀速运动时的部分。3.3.橡皮筋的选择：橡皮筋应选规格一样的。力对小车做的功以一条橡橡皮筋的选择：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皮筋做的功为单位即可, ,不必

9、计算出具体数值。不必计算出具体数值。4.4.先后顺序：开始实验时先后顺序：开始实验时, ,小车应靠近打点计时器小车应靠近打点计时器, ,并且要先接通电源并且要先接通电源再释放小车。再释放小车。5.5.小车的选择：小车质量应适当大一些小车的选择：小车质量应适当大一些, ,使纸带上打的点多一些。使纸带上打的点多一些。【实验改进】【实验改进】1.1.本实验中物体运动速度可以使用速度传感器直接采集本实验中物体运动速度可以使用速度传感器直接采集, ,比用打点计比用打点计时器方便快捷且误差较小。时器方便快捷且误差较小。2.2.可以把长木板换成气垫导轨可以把长木板换成气垫导轨, ,省略平衡摩擦力的操作步骤省

10、略平衡摩擦力的操作步骤, ,达到简化达到简化实验过程的目的。实验过程的目的。热点热点1 1 对实验原理的考查对实验原理的考查【例证【例证1 1】(2014(2014天津高考天津高考) )某同学把附有滑轮的长木板平放在实验某同学把附有滑轮的长木板平放在实验桌上桌上, ,将细绳一端拴在小车上将细绳一端拴在小车上, ,另一端绕过定滑轮另一端绕过定滑轮, ,挂上适当的钩码挂上适当的钩码, ,使使小车在钩码的牵引下运动小车在钩码的牵引下运动, ,以此定量探究绳拉力做功与小车动能变化以此定量探究绳拉力做功与小车动能变化的关系。此外还准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸、纸的关系。此外还准备了打点计时

11、器及配套的电源、导线、复写纸、纸带、小木块等。组装的实验装置如图所示。带、小木块等。组装的实验装置如图所示。(1)(1)若要完成该实验若要完成该实验, ,必需的实验器材还有哪些必需的实验器材还有哪些。(2)(2)实验开始时实验开始时, ,他先调节木板上定滑轮的高度他先调节木板上定滑轮的高度, ,使牵引小车的细绳与使牵引小车的细绳与木板平行。他这样做的目的是下列的哪个木板平行。他这样做的目的是下列的哪个( (填字母代号填字母代号) )。A.A.避免小车在运动过程中发生抖动避免小车在运动过程中发生抖动B.B.可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰C.C.可以保证小

12、车最终能够实现匀速直线运动可以保证小车最终能够实现匀速直线运动D.D.可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力(3)(3)平衡摩擦力后平衡摩擦力后, ,当他用多个钩码牵引小车时当他用多个钩码牵引小车时, ,发现小车运动过快发现小车运动过快, ,致致使打出的纸带上点数较少使打出的纸带上点数较少, ,难以选到合适的点计算小车速度。在保证难以选到合适的点计算小车速度。在保证所挂钩码数目不变的条件下所挂钩码数目不变的条件下, ,请你利用本实验的器材提出一个解决办请你利用本实验的器材提出一个解决办法：法： 。(4)(4)他将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功他将

13、钩码重力做的功当作细绳拉力做的功, ,经多次实验发现拉力做经多次实验发现拉力做功总是要比小车动能增量大一些。这一情况可能是下列哪些原因造成功总是要比小车动能增量大一些。这一情况可能是下列哪些原因造成的的( (填字母代号填字母代号) )。A.A.在接通电源的同时释放了小车在接通电源的同时释放了小车B.B.小车释放时离打点计时器太近小车释放时离打点计时器太近C.C.阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平衡掉阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平衡掉D.D.钩码做匀加速运动钩码做匀加速运动, ,钩码重力大于细绳拉力钩码重力大于细绳拉力【解题探究】【解题探究】(1)(1)本实验验证表达式是本实验验证表

14、达式是_。(2)(2)平衡摩擦力的目的是什么平衡摩擦力的目的是什么? ?提示：提示：让细绳的拉力充当小车所受合外力。让细绳的拉力充当小车所受合外力。21mgxMv2(3)(3)系统加速运动时系统加速运动时, ,绳上的拉力绳上的拉力_钩码重力。钩码重力。【解析】【解析】(1)(1)要定量探究绳拉力做功与小车动能变化的关系要定量探究绳拉力做功与小车动能变化的关系, ,也就是验也就是验证证mgx= Mvmgx= Mv2 2, ,所以此实验需要测量钩码的质量、小车的质量和位移所以此实验需要测量钩码的质量、小车的质量和位移, ,故还需要刻度尺和天平。故还需要刻度尺和天平。12小于小于(2)(2)分析小车

15、受力可知分析小车受力可知, ,在平衡摩擦力的基础上在平衡摩擦力的基础上, ,使细绳与木板平行是使细绳与木板平行是为了让细绳的拉力充当小车所受合外力为了让细绳的拉力充当小车所受合外力, ,故故D D正确。正确。(3)(3)纸带上打出的点少纸带上打出的点少, ,说明小车的加速度过大说明小车的加速度过大, ,故可知减小钩码质量故可知减小钩码质量或增加小车质量或增加小车质量( (在小车上加上适量的砝码在小车上加上适量的砝码) )。(4)(4)在此实验中在此实验中, ,根据牛顿第二定律可知根据牛顿第二定律可知, ,钩码的重力大于细绳的拉力钩码的重力大于细绳的拉力, ,而实验中用重力代替拉力会导致拉力做功

16、大于小车动能增量而实验中用重力代替拉力会导致拉力做功大于小车动能增量; ;如果实如果实验未平衡摩擦力也会导致拉力做功大于动能增量验未平衡摩擦力也会导致拉力做功大于动能增量, ,故选项故选项C C、D D正确。正确。答案：答案：(1)(1)刻度尺和天平刻度尺和天平(2)D(2)D(3)(3)减小钩码质量或增加小车质量减小钩码质量或增加小车质量(4)C(4)C、D D热点热点2 2 对实验对实验数据处理和误差分析的考查数据处理和误差分析的考查【例证【例证2 2】(2013(2013四川高考四川高考) )如图甲所示如图甲所示, ,某组同学借用某组同学借用“探究探究a a与与F F、m m之间的定量关

17、系之间的定量关系”的相关实验思想、原理及操作的相关实验思想、原理及操作, ,进行进行“研究合外力研究合外力做功和动能变化的关系做功和动能变化的关系”的实验：的实验：(1)(1)为达到平衡阻力的目的为达到平衡阻力的目的, ,取下细绳及托盘取下细绳及托盘, ,通过调整垫片的位置通过调整垫片的位置, ,改改变长木板倾斜程度变长木板倾斜程度, ,根据打出的纸带判断小车是否做根据打出的纸带判断小车是否做_运动。运动。(2)(2)连接细绳及托盘连接细绳及托盘, ,放入砝码放入砝码, ,通过实验得到图乙所示的纸带。纸带通过实验得到图乙所示的纸带。纸带上上O O为小车运动起始时刻所打的点为小车运动起始时刻所打

18、的点, ,选取时间间隔为选取时间间隔为0.1s0.1s的相邻计数点的相邻计数点A A、B B、C C、D D、E E、F F、G G。实验时小车所受拉力为。实验时小车所受拉力为0.2N,0.2N,小车的质量为小车的质量为0.2kg0.2kg。请计算小车所受合外力做的功请计算小车所受合外力做的功W W和小车动能的变化和小车动能的变化EEk k, ,补填表中空格补填表中空格( (结果保留至小数点后第四位结果保留至小数点后第四位) )。OBOBOCOCODODOEOEOFOFW/JW/J0.04320.04320.05720.05720.07340.07340.09150.0915EEk k/J/J

19、0.04300.04300.05700.05700.07340.07340.09070.0907分析上述数据可知：在实验误差允许的范围内分析上述数据可知：在实验误差允许的范围内W=EW=Ek k, ,与理论推导结与理论推导结果一致。果一致。(3)(3)实验前已测得托盘质量为实验前已测得托盘质量为7.77.71010-3-3kg,kg,实验时该组同学放入托盘实验时该组同学放入托盘中的砝码质量应为中的砝码质量应为kg(gkg(g取取9.8m/s9.8m/s2 2, ,结果保留至小数点后结果保留至小数点后第三位第三位) )。【解题探究】【解题探究】(1)(1)在做在做“研究合外力做功和动能变化的关系

20、研究合外力做功和动能变化的关系”的实验时的实验时, ,判断摩擦力判断摩擦力平衡的方法：根据打出的纸带上的点是否均匀判断小车是否做平衡的方法：根据打出的纸带上的点是否均匀判断小车是否做_运动。运动。匀速匀速直线直线(2)(2)计算从点计算从点O O到点到点F F小车所受合外力做的功小车所受合外力做的功W W和小车动能的变化和小车动能的变化EEk k的的思路：思路：合外力的功：合外力的功：W=_;W=_;F F点的速度大小：点的速度大小：v vF F=_;=_;EEk k的大小：的大小：EEk k=_=_。EGx2T2F1mv2FxFxOFOF【解析】【解析】(1)(1)把长木板的一侧垫高把长木板

21、的一侧垫高, ,以补偿打点计时器对小车的阻力及以补偿打点计时器对小车的阻力及其他阻力其他阻力; ;调节长木板的倾斜度调节长木板的倾斜度, ,使小车在不受牵引力时能拖动纸带沿使小车在不受牵引力时能拖动纸带沿木板做匀速直线运动。木板做匀速直线运动。(2)(2)从点从点O O到点到点F F小车所受合外力做的功小车所受合外力做的功W=FxW=FxOFOF=0.2=0.255.7555.751010-2-2J=0.1115JJ=0.1115J小车在点小车在点F F的速度大小的速度大小v vF F= =1.051m/s,= =1.051m/s,所以从点所以从点O O到点到点F F小车动能的变化小车动能的变化EEk k= = = = 0.20.21.0511.0512 2J=0.1105JJ=0.1105J。2EGx(66.7745.75) 10 m/s2T2 0