（广东专用）高考物理一轮复习方案 实验5 探究动能定理（含解析）

实验(五)[实验5探究动能定理]1．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、小车、砝码盘；H．薄木板．(1)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S5－1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．图S5－12．在探究“恒力做功和物体动能变化之间的关系”的实验中，某同学的实验设计方案如图S5－2所示．则：图S5－2(1)该实验用钩码的重力表示小车受到的合外力，在安装时首先要______________________，其次钩码和小车还需要满足的条件是________________________________________________________________________．(2)实验中，除位移、速度外，还需要测出的物理量有________________________________________________________________________.(3)在上述实验中，打点计时器使用的交流电频率为50Hz.某同学打出的一段纸带如图S5－3所示，则小车匀速运动时的速度大小为______m/s.(计算结果保留3位有效数字)图S5－33．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，采用了如图S5－4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．图S5－4(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S5－5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)．图S5－54．某实验小组采用如图S5－6所示的装置探究动能定理，小车内可放置砝码．实验中小车碰到制动装置时，钩码没有到达地面，打点计时器的工作频率为50Hz.图S5－6(1)如图S5－7所示是实验中得到的一条纸带，在纸带上选择起始点O及A、B、C、D、E五个计数点，可获得各计数点到O的距离s及对应时刻小车的瞬时速度v，如下表所示．请将C点的测量结果填在表中相应位置．图S5－7测量点OABCDEs/cm0.001.513.20____7.159.41v/m·s－10.350.400.45____0.540.60(2)实验小组根据实验数据绘出了如图S5－8所示的图线(其中Δv2＝v2－v)，根据图线可获得的结论是________________________．要验证动能定理，还需测量的物理量是摩擦力f和____________．图S5－85．·豫北六校联考某探究小组利用气垫导轨和光电门计时器等装置(如图S5－9所示)探究动能定理．他们通过改变滑轮下端的小盘中沙子的质量来改变滑块水平方向的拉力；滑块上装有宽为d的挡光片．实验中，用天平称出小盘和沙子的总质量为m，滑块(带挡光片)的质量为M，计时器显示挡光片经过光电门1和2的时间分别为Δt1、Δt2.图S5－9(1)在满足______的条件下，才可以认为小盘和沙子的重力所做的功等于滑块动能的改变量．(2)实验中还必须测量的物理量是______，试写出本次探究的原理表达式(用测量量和已知量表示)________________________．(3)写出一个减小本实验误差的方法：__________________________________________．6．为了“探究外力做功与物体动能变化的关系”，查资料得知，弹簧的弹性势能Ep＝eq\f(1,2)kx2，其中k是弹簧的劲度系数，x是弹簧长度的变化量．某同学就设想用压缩的弹簧推静止的小球(质量为m)运动来探究这一问题．为了研究方便，把小球O放在水平桌面上做实验，让小球O在弹力作用下运动，即只有弹簧推力做功．该同学设计实验如下：首先进行如图S5－10甲所示的实验：将轻质弹簧竖直挂起来，在弹簧的另一端挂上小球O，静止时测得弹簧的伸长量为d.在此步骤中，目的是要确定物理量______，用m、d、g表示为______．接着进行如图乙所示的实验：将这根弹簧水平放在桌面上，一端固定，另一端被小球O压缩，测得压缩量为x，释放弹簧后，小球O被推出去，从高为h的水平桌面上抛出，小球O在空中运动的水平距离为L.小球O的初动能Ek1＝______．小球O的末动能Ek2＝______．弹簧对小球O做的功W＝______(用m、x、d、g表示)．对比W和Ek2－Ek1就可以得出“外力做功与物体动能变化的关系”，若在实验误差允许范围内，外力所做的功等于物体动能的变化．甲乙图S5－10

实验(五)1．(1)C、E毫米刻度尺(2)电磁打点计时器天平(3)略[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．(2)测量时间的工具是电磁打点计时器，测量质量的工具是天平．(3)能．从A到B的过程中，恒力做的功为WAB＝FsAB，物体动能的变化量为EkB－EkA＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)＝eq\f(1,2)meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(sB,2T)))eq\s\up12(2)－eq\f(1,2)meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(sA,2T)))eq\s\up12(2)＝eq\f(1,2)meq\f(seq\o\al(2,B)－seq\o\al(2,A),4T2)，只要验证FsAB＝eq\f(1,2)meq\f(seq\o\al(2,B)－seq\o\al(2,A),4T2)即可，F为砝码的重力，可读取．优点：A、B两点的距离较远，测量时的相对误差较小；缺点：只进行了一次测量验证，说服力不强．2．(1)平衡小车与木板之间的摩擦力钩码的质量远小于小车的质量(2)钩码的重力和小车的总质量(3)1.40[解析](1)本实验在安装仪器时首先要平衡摩擦力；由牛顿第二定律可知mg＝(M＋m)a，即a＝eq\f(mg,M＋m)，只有当M≫m时，a≈eq\f(mg,M)，钩码的重力近似为小车受到的合外力．(2)由(1)可以看出实验中还需要测量的物理量为钩码的重力和小车的总质量．(3)由纸带上对应点可以读出小车匀速运动时v＝eq\f(s,T)＝eq\f(28mm,0.02s)＝1.40m/s.3．(1)保证钩码的总质量远小于滑块的质量平衡摩擦力(2)mg(s2＋s3＋s4)eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(s4＋s5,2T)))eq\s\up12(2)－eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(s1＋s2,2T)))eq\s\up12(2)[解析](1)钩码的总质量应远小于滑块质量，且垫高远离滑轮一端的木板以平衡摩擦力才能使钩码的重力近似等于滑块所受合力．(2)实验的目的是探究恒力做功和物体动能变化之间的关系，从B到E，恒力做功即mg(s2＋s3＋s4)，动能变化eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(s4＋s5,2T)))eq\s\up12(2)－eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(s1＋s2,2T)))eq\s\up12(2)，所以需要寻找它们之间的关系．4．(1)5.080.49(2)Δv2∝s(速度平方的变化与位移成正比)小车的质量[解析](1)C点到O点的距离s可由纸带分析得出为6.08cm－1.00cm＝5.08cm.C点对应小车的瞬时速度等于B、D两点间的平均速度，vC＝eq\f(sBD,4T0)＝0.49m(2)根据Δv2－s图象为过坐标原点的一条直线可得出Δv2∝s的结论．验证动能定理需求解合外力所做的功及小车和砝码动能的变化．合外力做功W合＝mgx－fs(其中f为小车受的摩擦力，s为小车的位移)，小车和砝码动能的变化ΔEk＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)＝eq\f(1,2)mΔv2，所以还需测出小车的质量．5．(1)m≪M(2)两光电门之间的距离xmgx＝eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt2)))eq\s\up12(2)－eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt1)))eq\s\up12(2)(3)适当减小挡光片的宽度；适当增大光电门间的距离[解析](1)设绳子拉力为F，根据牛顿第二定律，对小盘和沙子，有：mg－F＝ma；对滑块有：F＝Ma.整理得F＝eq\f(M,M＋m)mg＝(1－eq\f(m,M＋m))mg.只有当m≪M时，才可认为F≈mg，即小盘和沙子的重力做的功等于滑块动能的改变量．(2)滑块经过两光电门的速度可表示为eq\f(d,Δt1)和eq\f(d,Δt2)，重力做的功为mgx，动能变化为eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt2)))eq\s\up12(2)－eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt1)))eq\s\up12(2)，故表达式为mgx＝eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt2)))eq\s\up12(2)－eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt1)))eq\s\up12(2).(3)适当减小挡光片宽度，可使eq\f(d,Δt1)和eq\f(d,Δt2)更接近滑块经过两个位置的瞬时速度；适当增大光电门间距离x，可减小因测量带来的相对误差．6．弹簧的劲度系数keq\f(mg,d)0eq\f(mgL2,4h)