【名师点金】高考物理一轮复习 5.5实验探究功与速度变化的关系验证机械能守恒定律课件 新人教

验证机械能守恒定律第5讲实验:探究功与速度变化的关系知识建构技能建构一、实验目的(一)探究功与速度变化的关系1.通过实验探究力对物体做的功与物体速度变化的关系.知识建构技能建构1.改变功的大小:采用如图所示的实验装置,用1条、2条、3条……①

同样的橡皮筋将小车拉到②同一位置释放,橡皮筋拉力对小车所做

的功依次为W、2W、3W……2.学会探究的过程和方法二、实验原理2.确定速度的大小:小车获得的速度v可以由纸带和打点计时器测出,

也可以用其他方法测出.知识建构技能建构3.寻找功与速度变化的关系:以橡皮筋拉力所做的功W为纵坐标,小

车获得的速度v为横坐标,作出W-v图象(即功―速度图象).分析该图

象,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.知识建构技能建构四、设计思路三、实验器材木板、小车、橡皮筋、打点计时器及电源、纸带、坐标纸等.1.设法让橡皮筋对小车做的功分别为W、2W、3W……2.由纸带和打点计时器分别测出小车的速度v1、v2、v3……3.以橡皮筋对小车做的功为纵坐标(以第一次实验时的功W为单位),

小车获得的速度为横坐标,做出W-v曲线.知识建构技能建构4.如果W-v曲线是一条直线,表明W∝v;如果不是直线,可着手考虑是

否存在下列关系:W∝v2、W∝v3……5.根据W-v草图,大致判断两个量可能是什么关系,如果认为很可能是

W∝v2,就做出W-v2曲线,如果这条曲线是一条直线,就可以证明你的

判断是正确的.知识建构技能建构五、数据记录与处理通过实验,我们对每次打出的纸带进行处理,求出小车的末速度v,会

得到如下的表格:通过表格,我们会看到对小车做的功越多,小车的末速度越大,但

看不出功W与末速度v的定量关系.图象法是物理学家探索物理量间

未知规律的有效方法,由于曲线的物理规律不宜直接看出,所以尽量功W2W3W4W5W6W末速度v1v2v3v4v5v6知识建构技能建构作出两物理量间的直线图象.这里我们可以尝试着作W-v、W-v2、W-

v3、W-

、W-

、W-

等图象,实际我们作到W-v2图象时,就是一条过原点的直线,说明对小车所做的功与小车末速度的平方成正比.知识建构技能建构1.本探究实验中的重要方法及技巧六、注意事项知识建构技能建构(1)研究两个物理量的比例关系是探究两个量数量关系的重要方法,

研究比例关系可以为实验测量提供很大的方便和可能.例如,一根橡

皮筋对小车做的功是很难确定的,如果改用两根橡皮筋在完全相同

的情况下做的功的具体数值仍是很难确定的.但是,若以一根橡皮筋

对小车做的功为W,两根橡皮筋做的功无疑是2W,这是实验的巧妙之

处.(2)将问题转化,简化实验过程:探究的任务是外力对物体做的总功与

速度变化的关系.本实验总是让小车从静止开始运动,使测定两个速

度(初速度和末速度)的问题转化为测定一个末速度的问题,非常有

利于操作和数据处理并发现规律.知识建构技能建构(3)设法减小小实验误误差:实验误差差的大小小直接关关系着探探究工作作是否成成功,是否能正正确地建建立变量量之间的的关系,揭示事物物的本质质.本实验注注重了两个方方面:①平衡小车车在木板板上运动动的摩擦擦力保证证小车脱脱离橡皮皮筋后做匀匀速运动动;②在纸带上上选取点点迹清楚楚、间距距均匀的的部分计计算小车的速速度.(4)利利用物理理图象,适当地地进行坐坐标变换换,探索索物理量量之间的的关系.知识建构构技能建构构2.橡皮皮筋的选选取本实验采采用橡皮皮筋对小小车做功功,用一一条橡皮皮筋时做做功为W,用两条条橡皮筋时做做功为2W,依次类类推,这这样我们们可以用用W的倍数来来表示功功,这种方法巧巧妙地避避开了计计算变力力弹力所所做的功功.尽管管在实验验中,我我们尽量使各橡橡皮筋的的原长和和伸长量量相同,以保证证各橡皮皮筋对小小车所做做的功相同,但是,若准备备的橡皮皮筋规格格不相同同,同样样会给实实验带来来很大的的误差,所所以选择择橡皮筋筋时应注注意以下下几点:知识建构构技能建构构(2)橡橡皮筋的的材料要要相同.(1)所所选用的的橡皮筋筋劲度系系数不宜宜过大,以免条条数较多多时弹力力过大,打出的纸带带点数过过少,不不宜求小小车的速速度.(3)橡橡皮筋的的粗细要要均匀.知识建构构技能建构构3.平衡衡摩擦力力为了克服服摩擦力力,可以以把木板板一端垫垫高,使使小车重重力沿板板斜向下下的分力与摩擦擦力平衡衡.检查查是否平平衡时,可以把把小车放放到木板板上,轻轻推一下下小车,观观察小车车是否做做匀速运运动.知识建构构技能建构构4.利用用纸带求求小车的的速度打点计时时器打出出的纸带带上的点点的分布布并不均均匀,点点之间的的距离呈呈现开始较较小,而后后逐渐渐增大大,最最后基基本相相同的的特点点.我我们求求速度度时,应选选用分布布均匀匀的那那些点点进行行计算算,说说明这这时小小车已已经匀匀速运运动了了.知识建建构技能建建构一、通通过打打点计计时器器测速速度知识建建构技能建建构一条纸带.(1)应选选哪些些点距距进行行测量量?知识建建构技能建建构(2)怎样样根据据测得得数据据确定定小车车的速速度?【名师点点金】解答时时注意意:①橡皮筋筋做功功过程程结束束时对对应小小车速速度最大的的状态态.②小车速速度最最大的的点附附近打打点间间距最最大.③某点附附近很很短时时间内内的平平均速速度近近似等等于该该点的的瞬时时速度度.④在打点点纸带带上,被测量量的时时间间间隔是是一个个打点点间隔隔.知识建建构技能建建构(2)在可可测量量的点点中,C点的速速度最最接近近最大大速度度,可可测量量的最最短时时间就是tCD.故小小车的的速度度v=【答案】(1)选用CD段(2)v=【规范全解】(1)C、D间距最大,最大速度点点一定在C、D之间.知识建构技能建构例2某同同学在探究究功与物体体速度变化化的关系实实验中,设设计了如图甲甲所示的的实验.将纸带带固定在在重物上上,让纸纸带穿过过打点计计时器.先用手提提着纸带带,使重重物静止止在靠近近计时器器的地方方.然后后接通电电源,松松开纸带,让重物物自由下下落,计计时器就就在纸带带上打下下一系列列小点.得到的的纸带如图乙所所示,O点为计时器打打下的第1个个点,该同学学对数据进行行了下列处理:取取OA=AB=BC,并根据纸带带算出了A、B、C三点的速度分分别为vA=0.12m/s,vB=0.17m/s,vC=0.21m/s.甲乙乙二、探究思路路的迁移知识建构技能建构知识建构技能建构【规范全解】设由O到A的过程中,重力对重物所所做的功为W,那么由O到B的过程中,重力对重物所所做的功为2W,由O到C的过程中,重力对重物所做的功功为3W.由计算可知,=1.44×10-2m2/s2=2.89×10-2m2/s2=4.41×10-2m2/s2≈2,≈3,即≈2,≈3;由以上上数据据可以以判定定W∝v2是正确确的,也可可以以根根据据W-v2的曲曲线线来来判判断断,如图图丙丙所所示示.知识识建建构构技能能建建构构丙【答案案】见解解析析(二二)验验证证机机械械能能守守恒恒定定律律知识识建建构构技能能建建构构一、、实实验验目目的的验证证机机械械能能守守恒恒定定律律.知识识建建构构技能能建建构构二、、实实验验原原理理物体体在在自自由由下下落落过过程程中中,重重力力势势能能减减少少,动动能能增增加加,总总设物物体体质质量量为为m,在在某某一一位位置置n的速速度度为为vn,测测出出n点前前后后两两个个T内的的距距离hn-1和hn+1,算出vn=,在另一一点p的速度vp算出就可可以求出出动能增加量.ΔEk=m-m,由np距离即重重物下落落高度hnp,求出重重力势能能减少ΔΔEp=mghnp.比较ΔEk与ΔEp是否相等等,机械械能守恒恒定律即即可得到到验证.知识建构构技能建构构三、实验验器材电火花打打点计时时器(或或电磁打打点计时时器)、、交流电电源、纸纸带及复复写纸片、重锤(带带纸带夹)、、导线、刻度度尺、铁架台台.知识建构技能建构1.按如图所示安安装好固定装装置.固定好打点计时器,接上电源(开关未闭合合).四、实验步步骤2.把纸带的一一端用小夹夹子固定在在重锤上,使另一端穿穿过计时器器的限位孔孔,用手竖直提提着纸带,使重锤静止止在靠近计计时器的地地方.知识建构技能建构4.换几条条纸带,重重做上面的的实验.3.闭合电电源开关,松开手释释放纸带,让重锤自自由下落,计时器在在纸带上打下一系列列计时点.5.从几条条打上了点点的纸带上上挑选第一一、二两点点间距接近近2mm且点迹清晰的纸纸带进行测测量.知识建构技能建构7.用公式式vn=计算出各点点的瞬时速速度v1、v2、v3…6.在挑选选得到的纸纸带上,先先记下第一一个点的位位置O(或A)再依次选选几个点记作1、2、3…(或B、C、D…)用刻度尺尺量出各点点到O的距离h1、h2、h3…等知识建构技能建构8.计算出出各点对应应的势能减减少量和动动能增加量量填表记录录.

次序项目

123456vn

m

hn

mghn

比较

m

和mghn

知识建构技能建构1.计时器器安装牢固固使重锤纸纸带下落时时稳定.保保证限位孔孔在竖直线线上,使纸带运动动中受到摩摩擦阻力最最小.可以以通过手提提纸带上下下抽动来判判定限限位位孔孔调调整整是是否否合合适适.五、、注注意意事事项项2.纸纸带带要要平平展展以以减减小小下下落落时时阻阻力力.3.先先接接通通电电源源,计计时时器器正正常常打打点点再再放放纸纸带带以以保保证证第第1个个点点的的清清晰晰.持持纸纸带的的手手要要稳稳,使使所所打打第第1个个点点小小.知识识建建构构技能能建建构构5.纸纸带带的的挑挑选选:当当第第1、、2两两点点间间距距为为2mm时时,说说明明打打第第1个个点点时时速速度度为0.验验证证动动能能增增加加过过程程简简化化.4.重重锤锤应应用用密密度度较较大大的的物物质质,重重锤锤上上纸纸带带夹夹要要牢牢固固且且保保证证纸纸带带固固定定后方方向向正正确确,不不偏偏不不斜斜.重重锤锤的的质质量量稍稍大大些些.6.测测量量下下落落高高度度都都从从第第1个个点点量量起起.(一一般般纸纸带带60cm——80cm为为宜宜).知识识建建构构技能能建建构构7.本本实实验验不不必必称称出出重重锤锤质质量量.六、误差分析析本实验的偶然然误差主要是是纸带运动中中受摩擦力大大小及测量下下落高度引起起的.减小小这两两个因因素影影响是是减小小误差差的有有效途途径.在重重锤上上固定纸带带要正正.计计时器器限位位孔要要正,纸带带要平平.测测量下下落高高度时时h尽量大大些,多多次测测量取取平均均值也也是好好方法法.知识建建构技能建建构例1在在验验证机机械能能守恒恒定律律的实实验中中.一、仪仪器的的选取取和误误差分分析知识建建构技能建建构(1)从下下列选选出实实验所所必须须的器器材,其编编号为为.A.打打点计计时器器(包包括纸纸带)B.重物物C.天平平D.毫米米刻度尺尺E.秒表表F.运动动小车知识建构构技能建构构(3)实实验中产产生系统统误差的的原因主主要是,使重物物获得的的动能往往.为减小小误差,悬挂在在纸带下下的重物物应选择择.(2)打打点计时时器的安安装放置置要求为为;开始打打点计时时的时候候,应先,然后.知识建构构技能建构构(4)如如果以为纵轴,以h为横轴,根据实实验数据据绘出的的-h图线是,该线的的斜率等等于.【名师点金金】对于物理理实验,要在掌握握实验原原理和操操作方法法的基础础上,领会必须须的各个个实验器器材的作作用.本题第(4)问给出了了验证机机械能守恒定律律时,进行数据据处理的的图象方方法.另外,利用本实实验中得得出的-h图线的斜斜率还可可以测定定重力加加速度g.知识建构构技能建构构【规范全解解】(1)选出的器器材有:打点计时时器(包括纸带带),重物,毫米刻度尺,编号分别别为A、B、D.注意因mgh=mv2,故m可约去,不需要用用天平.(2)打打点计时时器安装装时,两两纸带限限位孔必必须在同同一竖直直线上,这样才才能使重物在在自由下下落时,受到的的阻力较较小.开开始记录录时,应应先给打打点计时时器通电打打点,然然后再释释放重物物,让它它带着纸纸带一同同落下.知识建构构技能建构构(3)产产生系统统误差的的主要原原因是纸纸带通过过打点计计时器时时的摩擦擦阻力,使得重物物获得的的动能小小于它所所减少的的重力势势能.为为减小误误差,重重物的质量应选大大一些的.(4)描描即为重力加速度.知识识建建构构技能能建建构构【答案案】(1)ABD(2)两两纸纸带带限限位位孔孔必必须须在在同同一一竖竖直直线线上上给给打打点点计计时时器器通通电电释放重物(3)纸带通通过打点计时时器时有摩擦擦阻力小于于所减少的重重力势能质量大一些的的(4)一条通通过坐标原点点的倾斜直线线重力加速速度知识建构技能建构例2在“验证机械械能守恒定律律”的实验中中,已知打点计时时器所用电源的频率率为50Hz,查得当地的重重力加速度g=9.80m/s2,某同学选择了一条理想想的纸带,用刻度尺测量量时各计数点点到O点的距离如图图所示,图中O点是打点计时时器打出的第第一个点,A、B、C、D分别是每打两个点取出出的计数点.根据图中数据据,可知重物由O点运动到B点时,二、实验数据据的处理知识建构技能建构(2)动能的的增加量是多多少?(1)重力势势能的减少量量为多少?知识建构技能建构(3)根据计计算的数据可可得出什么结结论?产生误误差的主要原原因是什么?知识建构技能建构【规范全解】(1)重力势能的减减少量为ΔEp减=mghOB=m×9.8×0.195=1.911m.【名师点金】本题主要考查查实验数据处处理及误差分分析.知识建构技能建构(2)重物下下落到B点时的速度vB==1.931m/s所以重物从开开始下落到B点增加的动能能为ΔEk增=m=1.864m.知识建构技能建构(3)根据计计算的数据可可知在实验误误差允许的范范围内重物减减少的重力势能等于其动动能的增加,机械能守恒恒.产生误差差的原因:重重物在下落时时受到阻力作用用(打点计时时器对纸带的的摩擦力、空空气阻力),克服阻力做功.【答案】(1)1.911m(2)1.864m(3)见解析知识建构技能建构1.(2011年高考··海南物理卷卷)现要通过过实验验证机机械能守恒定定律.实验装置如图甲甲所示:水平平桌面上固定定一倾斜的气气垫导轨,导导轨上A点处有一带长方方形遮光片的的滑块,其总总质量为M,左端由跨过过轻质光滑定滑轮的细绳绳与一质量为为m的砝码相连;遮光片两条条长边与导轨轨垂直,导轨上B点有一光电门门,可以测量量遮光片经过过光电门时的的挡光时间t.用d表示A点到导轨底端端C点的距离,h表示A与C的高度差,b表示遮光片的宽度度,s表示A、B两点间的距离离,将遮光片片通过光电门门的平均速度看做滑滑块通过B点时的瞬时速速度.用g表示重力加速速度.完成下下列填空和作图图:知识建构技能建构(1)若将滑滑块自A点由静止释放放,则在滑块块从A运动至B的过程中,滑滑块、遮光片与砝砝码组成的系系统重力势能能的减少量可可表示为,动能的增加量量可表示为.若在运动过过程中机械能能守恒,与s的关系式为=.知识建构技能建构(2)多次改改变光电门的的位置,每次次均令滑块自自同一点(A点)下滑,测测量相应的s与t值.结果如下下表所示:以s为横坐标,为纵坐标,在在图乙所示的的坐标纸中描描出第1和第第5个数据点;根据5个数据点作作直线,求得得该直线的斜斜率k=×104m-1·s-2(保留3位有有效数字).

12345s/m0.6000.8001.0001.2001.400t/ms8.227.176.445.855.43

/(×104s-2)1.481.952.412.923.39知识建构技能建构【解析】滑块在下滑过过程中,砝码同时在上上升,所以整体减少少的重力势能应当是是滑块减少的的重力势能与与砝码所增加加的重力势能能之差,而整体所所获得的动能能是砝码与滑滑块的动能之之和.知识建构技能建构【答案】(1)Mgs·-mgs(m+M)()22·s(2)图略2.43知识建构技能建构2.(2009年高考··广东物理卷卷)某实验小小组利用拉力力传感器和速速度传感器探究“动能能定理”,如如图甲所示,他们将拉力力传感器固定定在小车上,用不可伸长的的细线将其通通过一个定滑滑轮与钩码相相连,用拉力力传感器记录小车受到到拉力的大小小.在水平桌桌面上相距50.0cm的A、B两点各安装一个速度度传感器,记记录小车通过过A、B时的速度大小小.小车中可可以放置砝码.甲知识建构技能建构(1)实验主主要步骤如下下:①测量和拉力传感器器的总质量M1;把细线的一端②将小车停在C点,,小车在细线拉拉动下运动,记录细线拉力力及小车通过A、B时的速度.③在小车中增加加砝码,或,重复②的操作作.知识建构技能建构(2)表1是是他们测得的的一组数据,其中M是M1与小车中砝码码质量之和,|-|是两个速速度传感器记记录速度的平平方差,可以以据此计算出出动能变化量ΔE,F是拉力传感器器受到的拉力力,W是F在A、B间所做的功.表格中ΔE3=,W3=.(结果保留留三位有效数数字)知识建构技能建构(3)根据表表1,请在图图乙中的方格格纸上作出ΔΔE-W图线.表1数据记记录表次数M/kg|

-

|/(m/s)2ΔE/JF/NW/J10.5000.7600.1900.4000.20020.5001.650.4130.8400.42030.5002.40ΔE31.220W341.0002.401.202.4201.2151.0002.841.422.8601.43知识建构技能建构乙【解析】(1)实验中绳子对对小车的拉力力作为做功的的合力,获得动能的是小车及力力传感器,故研究对象是是力传感器及及小车整体.对小车做功的力只能能是绳子的拉拉力,故必选由静止止释放小车.每次实验中小车质量保持持不变,但为为了使实验结结论具有普遍遍性,应增加加或减少小车中的砝码码改变小车质质量(相当于于使用不同的的研究对象)多次探究.知识建构技能建构(3)作出图图象如图丙所所示,是第一一象限的角平平分线.【答案】(1)①小车②然后后释放小车③③减少砝码码(2)由表中中数据得:ΔΔE3=M|-|=0.600J,W3=FL=0.610J.(2)0.600J0.610J知识建构技能建建构(3)如图图丙所所示丙知识建建构技能建建构3.探探究力力对原原来静静止的的物体体做的的功与与物体体获得得的速速度的的关系系,实实验装置如如图知识建建构技能建建构(2)分析析打点点计时时器打打出的的纸带带,求求出小小车的的速度度v1、v2、v3……(1)设法法让橡橡皮筋筋对小小车做做的功功分别别为W、2W、3W……(3)作出出W-v草图;知识建建构技能建建构(4)分析W-v图象.如果W-v图象是是一条条直线线,表明W∝v;如果不不是直直线,可考虑虑是否否存在在W∝v2、W∝v3、W∝等关系以下关关于该该实验验的说说法中中有一一项不正确确,它是是.A.本本实验验设法法让橡橡皮筋筋对小小车做做的功功分别别为W、2W、3W……所采用的的方法法是选选用同同样的的橡皮皮筋,并在在每次次实验验中使使橡皮皮筋拉拉伸的长度度保持持一致致.当当用1条橡橡皮筋筋进行行实验验时,橡皮皮筋对对小车车做的的功为W,用2条、、3条条……橡皮筋筋并在在一起起进行行第2次、、第3次……实验时,橡橡皮筋筋对小小车做做的功功分别别是2W、3W……B.小小车运运动中中会受受到阻阻力,补偿偿的方方法是是使木