2019年高考物理一輪復習 第5章 機械能及其守恒定律 實驗5 探究動能定理學案 新人教版

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1、 實驗五　探究動能定理 (對應學生用書第93頁) 一、實驗目的 1．探究外力對物體做功與物體速度變化的關(guān)系． 2．通過實驗數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出做功與物體速度平方的正比關(guān)系． 二、實驗原理 1．不是直接測量對小車做功，而是通過改變橡皮筋條數(shù)確定對小車做功W、2W、3W… 2．由于橡皮筋做功而使小車獲得的速度可以由紙帶和打點計時器測出，也可以用其他方法測出．這樣，進行若干次測量，就得到若干組功和速度的數(shù)據(jù)． 3．以橡皮筋對小車做的功為縱坐標，小車獲得的速度為橫坐標，作出W-v曲線，分析這條曲線，可以得知橡皮筋對小車做的功與小車獲得的速度的定量關(guān)系． 三、實驗器材 小車(前面帶

2、小鉤)、100 g～200 g砝碼、長木板(兩側(cè)適當?shù)膶ΨQ位置釘兩個鐵釘)、打點計時器及紙帶、學生電源及導線(使用電火花計時器不用學生電源)、5～6條規(guī)格相同的橡皮筋、刻度尺． 四、實驗步驟 1．按原理圖實圖5-1將儀器安裝好． 實圖5-1 2．平衡摩擦力：在長木板有打點計時器的一端下面墊一塊木板，反復移動木板的位置，直至小車上不掛橡皮筋時，輕推小車，紙帶打出的點間距均勻，即小車能勻速運動為止． 3．先用1條橡皮筋做實驗，用打點計時器和紙帶測出小車獲得的速度v1，設(shè)此時橡皮筯對小車做的功為W，將這一組數(shù)據(jù)記入表格． 4．用2條橡皮筋做實驗，實驗中橡皮筋拉伸的長度與第一次相同，這

3、時橡皮筋對小車做的功為2W，測出小車獲得的速度v2，將數(shù)據(jù)記入表格． 5．用3條、4條……橡皮筋做實驗，用同樣的方法測出功和速度，記入表格． 五、數(shù)據(jù)處理 1．測量小車的速度：實驗獲得如圖實-5-2所示的紙帶，為探究橡皮筋彈力做的功和小車速度的關(guān)系，需要測量彈力做功結(jié)束時小車的速度，即小車做勻速運動的速度，應在紙帶上測量的物理量：A1、A2間的距離s，小車速度的表達式是v＝(T為打點計時器打點的時間間隔)． 圖實-5-2 2．記錄實驗數(shù)據(jù)：把計算出的速度填入表格中并算出v2的值． 3．數(shù)據(jù)處理：在坐標紙上畫出W-v或W-v2圖線(“W”以一條橡皮筋做的功為單位)． 4．實驗結(jié)

4、論：從圖象分析外力對物體做功與物體速度變化的關(guān)系為W∝v2. 六、誤差分析 類型 產(chǎn)生原因 減小方法 偶然 誤差 小車速度的測量誤差 多次測量s，求平均值 摩擦力做功 平衡摩擦力適當 系統(tǒng) 誤差 橡皮筋的長度、粗細不一 選規(guī)格相同的橡皮筋 七、注意事頂 1．平衡摩擦力：將木板一端墊高，使小車的重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡．方法：使小車連著紙帶并接通電源，輕推小車，由打點計時器打在紙帶上的點的均勻程度判斷小車是否做勻速運動，找到長木板的一個合適的傾角． 2．選點測速：測小車的速度時，紙帶上的點應選均勻部分的，也就是選小車做勻速運動時的部分． 3．橡皮筋的

5、選擇：橡皮筋應選規(guī)格一樣的．力對小車做的功以一條橡皮筋做的功為單位即可，不必計算出具體數(shù)值． 4．先后順序：開始實驗時，小車應靠近打點計時器，并且要先接通電源再釋放小車． 5．小車的選擇：小車質(zhì)量應適當大一些，使紙帶上打的點多一些. (對應學生用書第94頁) 考點一| 實驗原理與操作 　為了探究功與速度變化的關(guān)系，現(xiàn)提供如圖實-5-3所示的器材，讓小車在橡皮筋的作用下彈出后沿木板滑行，請思考探究思路并回答下列問題．(打點計時器所接交流電頻率為50 Hz) 圖實-5-3 (1)為了消除摩擦力的影響應采取的措施為____________________________ __

6、______________________________________________________________. (2)當我們分別用同樣的橡皮筋1條、2條、3條…并起來進行第1次、第2次、第3次…實驗時，每次實驗中橡皮筋拉伸的長度都保持一致，我們把第1次實驗中橡皮筋對小車做的功記為W. 由于橡皮筋對小車做功而使小車獲得的速度可以由打點計時器和紙帶測出，如圖實-5-4所示是其中四次實驗打出的部分紙帶． 圖實-5-4 試根據(jù)以上信息，填寫下表． 次數(shù) 1 2 3 4 橡皮筋對小車做的功 W 小車速度v/(m·s－1) v2/(

7、m2·s－2) 從表中數(shù)據(jù)可得出結(jié)論： _________________________________________________________________ ________________________________________________________________. [解析](1)為了消除摩擦力，應將木板固定有打點計時器的一端墊起適當?shù)母叨?，使小車在不接橡皮筋時緩慢勻速下滑． (2)由勻速運動的速度公式v＝，可求出小車的速度，其中x可從題圖中讀出，分別為2.00 cm、2.83 cm、3.46 cm、4.00 cm，交流電頻率為50

8、 Hz，故T＝0.02 s. 次數(shù) 1 2 3 4 橡皮筋對小車做的功 W 2W 3W 4W 小車速度v/(m·s－1) 1.00 1.42 1.73 2.00 v2(m2·s－2) 1.00 2.02 2.99 4.00 在誤差允許的范圍內(nèi)，橡皮筋對小車做的功與小車速度的平方成正比． [答案]　見解析 某學習小組做探究“合力的功和物體速度變化的關(guān)系”的實驗，圖中小車是在1條橡皮筋作用下彈出，沿木板滑行，這時橡皮筋對小車做的功記為W.當用2條、3條…完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次…實驗時，使每次實驗中橡皮筋伸長的長度都保持一致．每次

9、實驗中小車獲得的速度由打點計時器所打的紙帶測出． (1)除了圖中已有的實驗器材外，還需要導線、開關(guān)、________(填測量工具)和________(填“交流”或“直流”)電源． (2)實驗中，小車會受到摩擦阻力的作用，可以使木板適當傾斜來平衡掉摩擦阻力，則下面操作正確的是(　　) A．放開小車，能夠自由下滑即可 B．放開小車，能夠勻速下滑即可 C．放開拖著紙帶的小車，能夠自由下滑即可 D．放開拖著紙帶的小車，能夠勻速下滑即可 (3)若木板水平放置，小車在兩條橡皮筋作用下運動，當小車速度最大時，關(guān)于橡皮筋所處的狀態(tài)與小車所在的位置，下列說法正確的是(　　) A．橡皮筋處于原

10、長狀態(tài) B．橡皮筋仍處于伸長狀態(tài) C．小車在兩個鐵釘?shù)倪B線處 D．小車已過兩個鐵釘?shù)倪B線 (4)在正確操作情況下，打在紙帶上的點并不都是均勻的，為了測量小車獲得的速度，應選用圖中紙帶的________部分進行測量． [解析](1)為測量小車獲得的速度，必須用刻度尺來測量紙帶上點和點之間的距離；打點計時器必須使用交流電源． (2)平衡摩擦力時，也要平衡掉紙帶與限位孔之間的摩擦力．根據(jù)平衡狀態(tài)的特點，小車做勻速運動時即平衡掉了摩擦力． (3)若木板水平放置，則未平衡摩擦力．小車速度最大時，也就是加速度為零的時刻，即橡皮筋對小車的拉力等于小車受到的摩擦力的時刻，此時橡皮筋處于伸長狀

11、態(tài)，小車還未到兩個鐵釘?shù)倪B線處，B正確． (4)應該選用紙帶上小車做勻速運動部分進行測量，此時小車的速度最大，即GK部分． [答案](1)刻度尺　交流　(2)D　(3)B　(4)GK 考點二| 數(shù)據(jù)處理與誤差分析 　如圖實-5-5所示，是某研究性學習小組做探究“橡皮筋的功和物體速度變化的關(guān)系”的實驗，圖中是小車在一條橡皮筋作用下彈出，沿木板滑行的情形，這時，橡皮筋對小車做的功記為W，當我們用2條、3條…完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次…實驗時，每次橡皮筋都拉伸到同一位置釋放．小車每次實驗中獲得的速度由打點計時器所打的紙帶測出． 圖實-5-5 (1)除了圖中的已給出的實

12、驗器材外，還需要的器材有________； (2)每次實驗得到的紙帶上的點并不都是均勻的，為了測量小車獲得的速度，應選用紙帶的________部分進行測量； (3)在本實驗的數(shù)據(jù)記錄表中，請將第2次、第3次…實驗中橡皮筋做的功填寫在對應的位置： 橡皮筋 做的功 10個間隔 的距離 s(m) 10個間隔 的時間 T(s) 小車獲得 的速度vn (m/s) 小車速度 的平方 v(m/s)2 1 W 0.200 0.2 2 0.280 0.2 3 0.300 0.2 4 0.400 0.2 5

13、 0.450 0.2 (4)從理論上講，橡皮筋做的功Wn和物體速度vn變化的關(guān)系應是Wn∝________.請你運用數(shù)據(jù)表中測定的數(shù)據(jù)在題給的坐標系中作出相應的圖象驗證理論的正確性. 【導學號：84370246】 [解析](1)根據(jù)實驗原理可知，實驗中需要刻度尺測量計數(shù)點之間的距離，來計算物體的速度，所以要用到刻度尺．為了能讓打點計時器工作，必須提供交流電源．故缺少刻度尺和交流電源． (2)紙帶在橡皮筋的作用下做加速運動，橡皮筋做功完畢，則速度達到最大，此時做勻速運動，因此勻速時的速度即為該過程中的最大速度，故為了測量小車獲得的速度，應選用紙帶點均勻部分測量． (3

14、)我們把1根橡皮筋對小車做的功作為1W，作為功的一個計量單位．當我們用2條、3條…完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次…實驗時，橡皮筋的功分別是2W,3W,4W,5W. (4)根據(jù)勻速直線運動的位移公式x＝vt得：v＝，所以： v1＝ m/s＝1 m/s，v2＝ m/s＝1.4 m/s，v3＝ m/s＝1.5 m/s， v4＝ m/s＝2 m/s，v5＝ m/s＝2.25 m/s 所以，v＝1，v＝1.96，v＝2.25，v＝4，v＝5.06 由動能定理可知，合外力做的功應等于物體動能的變化量，所以W與v2成正比，即Wn∝v，根據(jù)表中實驗數(shù)據(jù)，應用描點法作圖，圖象如圖所示：

15、 誤差允許范圍內(nèi)，圖象是經(jīng)過原點的直線，說明Wn與v成正比． [答案](1)交流電源、刻度尺　(2)點距均勻　(3)2W、3W、4W、5W　(4)v　圖象見解析 (2018·湖州模擬)某同學利用圖甲探究力對物體做的功與物體速度的關(guān)系，得到了如下表的數(shù)據(jù)： 實驗次數(shù) 1 2 3 4 5 橡皮筋條數(shù) 1 3 4 5 7 小車速度 v/(m·s－1) 0.71 1.23 1.42 1.58 1.87 (注：每條橡皮筋拉長的長度都一樣) 甲 乙 (1)設(shè)一條橡皮筋拉長到固定長度所做的功為W0，在圖乙中大致畫出橡皮

16、筋所做的功W與小車速度v關(guān)系的圖象． (2)由圖象大致可判斷出W與v的關(guān)系可能是________． [解析](1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，橡皮筋做的功與小車獲得的速度有關(guān)，并且做功越多，小車獲得的速度越大．據(jù)描點法可知，W與v的圖線為拋物線，如圖所示． (2)由圖象大致可判斷出W與v的關(guān)系可能是W∝v2. [答案](1)見解析圖　(2)W∝v2 考點三| 實驗拓展與創(chuàng)新 視角1：實驗器材及裝置的改進 視角2：數(shù)據(jù)測量的改進 視角3：實驗方案的改進 例如：利用自由落體運動、平拋運動探究功和動能的關(guān)系． 視角4：數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新 由ΔE-W圖象取代v2-W圖象．

17、創(chuàng)新點1　速度測量的創(chuàng)新 1．(2018·河東區(qū)模擬)某同學用如圖實-5-6甲所示的裝置做“探究合力做的功與動能改變量之間的關(guān)系”的實驗，他們將光電門固定在水平軌道上的B點，并用重物通過細線拉小車，然后保持小車和重物的質(zhì)量不變，通過改變小車釋放點到光電門的距離(s)進行多次實驗，實驗時要求小車每次都從靜止釋放． 圖實-5-6 (1)用游標卡尺測出遮光條的寬度d如圖乙所示，d＝________ cm. (2)如果遮光條通過光電門的時間為t，小車到光電門的距離為s.該同學通過描點作出線性圖象來反映合力做的功與動能改變量之間的關(guān)系，則他所作的圖象關(guān)系是下列哪一個時才能符合實驗要求___

18、_____． A．s-t　　　　　　 B．s-t2 C．s-t－1 D．s-t－2 (3)下列哪些實驗操作能夠減小實驗誤差________． A．調(diào)整軌道的傾角，在未掛重物時使小車能在軌道上勻速運動 B．必須滿足重物的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量 C．必須保證小車從靜止狀態(tài)開始釋放 [解析](1)游標卡尺的主尺讀數(shù)為11 mm，游標讀數(shù)為0.05×9 mm＝0.45 mm，所以讀數(shù)為11 mm＋0.45 mm＝11.45 mm＝1.145 cm. (2)光電計時器記錄通過光電門的時間，由速度公式計算出小車通過光電門的平均速度，用該平均速度代替小車的瞬時速度，故在遮光條經(jīng)過光電門時小

19、車的瞬間速度為v＝，根據(jù)動能定理有Fs＝mv2＝m2，可見s與t2成反比，即與成正比，故應作出s-t－2的關(guān)系圖象，故選項D正確． (3)經(jīng)前面分析知，要使s-t－2圖象為過原點的直線，應保證小車初動能為零，即必須保證小車從靜止狀態(tài)開始釋放，故選項C正確． [答案](1)1.145　(2)D　(3)C 創(chuàng)新點2　實驗方案的創(chuàng)新 2．(2018·東北三校聯(lián)考)某同學利用如圖實-5-7所示的裝置驗證動能定理．將木板豎直放置在斜槽末端的前方某一固定位置，在木板上依次固定好白紙、復寫紙．將小球從不同的標記點由靜止釋放，記錄小球到達斜槽底端時下落的高度H，并根據(jù)落點位置測量出小球離開斜槽后的豎

20、直位移y.改變小球在斜槽上的釋放位置，進行多次測量，記錄數(shù)據(jù)如下： 圖實-5-7 高度H(h為 單位長度) h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 9h 豎直位移y/cm 30.0 15.0 10.0 7.5 6.0 5.0 4.3 3.8 3.3 (1)在安裝斜槽時，應注意__________________________________________． (2)已知斜槽傾角為θ，小球與斜槽之間的動摩擦因數(shù)為μ，木板與斜槽末端的水平距離為x，小球在離開斜槽后的豎直位移為y，不計小球與水平槽之間的摩擦，小球從斜槽上滑下的過程中，若動能

21、定理成立則應滿足的關(guān)系式是________________________． (3)若想利用圖象直觀得到實驗結(jié)論，最好應以H為橫坐標，以________為縱坐標，描點作圖. 【導學號：84370247】 [解析](1)小球離開斜槽末端后要做平拋運動，因而斜槽末端O點的切線要水平． (2)小球從斜槽上下滑到斜槽末端時速度為v，根據(jù)動能定理有mgH－μmgcos θ＝mv2，小球離開O點后做平拋運動，水平方向有x＝vt，豎直方向有y＝gt2，聯(lián)立解得H＝·. (3)由(2)可知，要利用圖象直觀得到實驗結(jié)論，圖象應為直線，因而以H為橫坐標，以為縱坐標，描點作圖即可． [答案](1)使斜

22、槽末端O點的切線水平 (2)H＝·　(3) 創(chuàng)新點3　數(shù)據(jù)處理及分析的創(chuàng)新 3．某實驗小組利用拉力傳感器和速度傳感器探究動能定理．如圖實-5-8所示，他們將拉力傳感器固定在小車上，用不可伸長的細線將其通過一個定滑輪與鉤碼相連，用拉力傳感器記錄小車受到拉力的大?。谒阶烂嫔舷嗑?0.0 cm的A、B兩點各安裝一個速度傳感器，記錄小車通過A、B時的速度大小，小車中可以放置砝碼． 圖實-5-8 (1)實驗主要步驟如下： ①測量________和拉力傳感器的總質(zhì)量M1；把細線的一端固定在拉力傳感器上，另一端通過定滑輪與鉤碼相連，正確連接所需線路． ②將小車停在C點，_______

23、_________，小車在細線拉動下運動，記錄細線拉力及小車通過A、B時的速度． ③在小車中增加砝碼或減少砝碼，重復②的操作． (2)下列表格是他們測得的一組數(shù)據(jù)，其中M是M1與小車中砝碼質(zhì)量之和，|v－v|是兩個速度傳感器記錄速度的平方差，可以據(jù)此計算出動能變化量ΔE，F(xiàn)是拉力傳感器受到的拉力，W是F在A、B間所做的功．表格中的ΔE3＝________，W3________.(結(jié)果保留三位有效數(shù)字) 次數(shù) M/kg v－v/(m2·s－2) ΔE/J F/N W/J 1 0.500 0.76 0.190 0.400 0.200 2 0.500 1.65 0

24、.413 0.840 0.420 3 0.500 2.40 ΔE3 1.220 W3 4 1.000 2.40 1.200 2.420 1.210 5 1.000 2.84 1.420 2.860 1.430 (3)根據(jù)表格，請在圖中的方格紙上作出ΔE-W圖線． [解析](1)在實驗過程中拉力對小車和拉力傳感器做功使小車和拉力傳感器的動能增加，所以需要測量小車和拉力傳感器的總質(zhì)量． (2)通過拉力傳感器的示數(shù)和A、B間距用W＝FL可計算拉力做的功． (3)利用圖象法處理數(shù)據(jù)，由動能定理W＝Mv－Mv，可知W與ΔE成正比，作圖可用描點法，圖線如

25、圖所示． [答案](1)①小車?、卺尫判≤嚒?2)0.600　0.610　(3)見解析圖 [隨堂訓練] 1．“探究動能定理”的實驗裝置如圖實-5-9所示，當小車在兩條橡皮筋作用下彈出時，橡皮筋對小車做的功記為W0.當用4條、6條、8條……完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次、第4次……實驗時，橡皮筋對小車做的功記為2W0、3W0、4W0……，每次實驗中由靜止彈出的小車獲得的最大速度均可由打點計時器所打的紙帶測出．關(guān)于該實驗，下列說法正確的是(　　) (1)　　　　 (2) 圖實-5-9 A．每次實驗中應使小車從同一位置由靜止彈出 B．利用

26、每次測出的小車最大速度vm和橡皮筋做的功W，依次做出W-vm、W-v、W-v、W2-vm、W3-vm……的圖象，得出合力做功與物體速度變化的關(guān)系 C．打點計時器可以用直流電源供電，電壓為4～6 V D．實驗中使用的若干根橡皮筋的原長可以不相等 AB　[小車獲得的動能應該等于橡皮筋對其做的功，所以小車必須從同一位置由靜止彈出．故A正確；橡皮筋對小車做的功和小車獲得的動能滿足：W＝mv2的關(guān)系，所以當小車質(zhì)量一定時，W與v2成正比．所以最好做W與v2的關(guān)系圖象，實驗是需要畫多個圖象找最好的，故B正確；打點計時器使用交流電源，故C錯誤；實驗中用到多條橡皮筋，就要求每次橡皮筋相同且被拉長的一樣多

27、，這樣橡皮筋對小車做的功才有倍數(shù)關(guān)系，故D錯誤．] 2．某學習小組利用如圖實-5-10所示的裝置驗證動能定理． 圖實-5-10 (1)將氣墊導軌調(diào)至水平，安裝好實驗器材，從圖中讀出兩光電門中心之間的距離s＝________cm； (2)測量擋光條的寬度d，記錄擋光條通過光電門1和2所用的時間Δt1和Δt2，并從拉力傳感器中讀出滑塊受到的拉力F，為了完成實驗，還需要直接測量的一個物理量是____________； (3)該實驗是否需要滿足砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量？________(填“是”或“否”) [解析](1)由圖可知，s＝70.30 cm－

28、20.30 cm＝50.00 cm. (2)要應用滑塊驗證動能定理，應有關(guān)系式： Fs＝M2－M2，故還應測量滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量M. (3)因拉力傳感器直接測出滑塊所受的合外力，并不是用砝碼和砝碼盤的總重力代替做實驗，故沒必要滿足砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量． [答案](1)50.00　(2)滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量M　(3)否 3．利用氣墊導軌探究彈簧的彈性勢能與形變量的關(guān)系，在氣墊導軌上放置一帶有遮光片的滑塊、滑塊的一端與輕彈簧貼近，彈簧另一端固定在氣墊導軌的一端，將一光電門P固定在氣墊導軌底座上適當位置(如圖實-5-11所示)

29、．彈簧處于自然狀態(tài)時，使滑塊向左壓縮彈簧一段距離，然后由靜止釋放滑塊，與光電門相連的光電計時器可記錄遮光片通過光電門時的擋光時間，則可計算出滑塊離開彈簧后的速度大?。? 圖實-5-11 實驗步驟如下： ①用游標卡尺測量遮光片的寬度d. ②在氣墊導軌上通過滑塊將彈簧壓縮x1，滑塊由靜止釋放． 由光電計時器讀出滑塊第一次通過光電門時遮光片的擋光時間t1. ③利用所測數(shù)據(jù)求出滑塊第一次通過光電門時的速度v和動能mv2. ④增大彈簧壓縮量為x2、x3、…，重復實驗步驟②③，記錄并計算相應的滑塊動能mv2，如下表所示． 彈簧壓縮量x(cm) 0.5 1.0 1.5 2.0 2

30、.5 3.0 x2(cm2) 0.25 1.00 2.25 4.00 6.25 9.00 動能mv2 0.49m 1.95m 4.40m 7.82m 12.22m 17.60m (1)測量遮光片的寬度時游標卡尺示數(shù)如圖實-5-12所示，讀得d＝________cm； 圖實-5-12 (2)在下面所給的兩個坐標系中分別作出mv2-x和mv2-x2圖象： 圖實-5-13 (3)由機械能守恒定律，Ep＝mv2，根據(jù)圖象得出結(jié)論是 _______________________________________________________________ ______________________________________________________________. [解析](1)根據(jù)游標卡尺讀數(shù)規(guī)則，讀出遮光片的寬度d＝1.0 cm＋0.02 cm＝1.02 cm. (2)根據(jù)描點法在坐標系中進行描點、連線，所作 mv2-x和mv2-x2圖象如圖所示： (3)根據(jù)圖象得出結(jié)論是：彈性勢能的大小與形變量x的二次方成正比． [答案](1)1.02　(2)見解析　(3)彈性勢能的大小與形變量x的二次方成正比 14