2022年高考物理總復(fù)習(xí) 第五章 機械能 實驗五 探究動能定理學(xué)案

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1、2022年高考物理總復(fù)習(xí) 第五章 機械能 實驗五 探究動能定理學(xué)案 誤差分析 1.誤差的主要來源是橡皮筋的長度、粗細(xì)不一，使橡皮筋的拉力做功W與橡皮筋的條數(shù)不成正比。 2.沒有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力時傾角過大也會造成誤差。 3.利用打上點的紙帶計算小車的速度時，測量不準(zhǔn)帶來誤差。 注意事項 1.平衡摩擦力：將木板一端墊高，使小車重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡。方法是輕推小車，由打點計時器打在紙帶上的點的均勻程度判斷小車是否勻速運動，找到木板一個合適的傾角。 2.選點測速：測小車速度時，紙帶上的點應(yīng)選均勻部分的，也就是選小車做勻速運動狀態(tài)的點。 3.橡皮筋的選擇：橡皮

2、筋規(guī)格相同時，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。 熱點一　教材原型實驗 【例1】　(2017·溫州模擬)如圖1所示，某同學(xué)在做“探究功與速度變化的關(guān)系”的實驗。當(dāng)小車在1條橡皮筋的作用下沿木板滑行時，橡皮筋對小車做的功記為W。當(dāng)用2條、3條……橡皮筋重復(fù)實驗時，設(shè)法使每次實驗中橡皮筋所做的功分別為2W、3W… (1)圖1中電火花計時器的工作電壓是________V的交流電。 (2)實驗室提供的器材如下：長木板、小車、橡皮筋、電火花計時器、紙帶、電源等，還缺少的測量工具是________。 (3)圖1中小車上有一固定小立柱，如圖2中給出了4種橡皮筋

3、與小立柱的套接方式，為減小實驗誤差，你認(rèn)為最合理的套接方式是________。 (4)在正確操作的情況下，某次實驗所打的紙帶如圖3所示。打在紙帶上的點并不都是均勻的，為了測量橡皮筋做功后小車獲得的速度，應(yīng)選用紙帶的________部分進行測量(根據(jù)紙帶中字母回答)，小車獲得的速度是________m/s。(結(jié)果保留2位有效數(shù)字) 圖3 解析　(1)電火花計時器的工作電壓是220 V的交流電。 (2)處理實驗數(shù)據(jù)時需要測量兩計數(shù)點間的距離，因此還需要的器材是刻度尺。 (3)橡皮筋最合理的套接方式是A，以A的方式套接釋放小車后，橡皮筋不會影響小車的運動。 (4)由圖3的紙帶可知，G

4、J部分每兩點間的距離相等，小車做勻速直線運動，因此應(yīng)選用紙帶的GJ部分；小車獲得的速度v＝＝ m/s＝0.65 m/s。 答案　(1)220　(2)刻度尺　(3)A　(4)GJ　0.65 【變式訓(xùn)練1】　(2017·廊坊模擬)某同學(xué)做探究合力做的功和物體速度變化的關(guān)系的實驗裝置如圖4甲所示，小車在橡皮筋的作用下彈出，沿木板滑行。用1條橡皮筋時對小車做的功記為W，當(dāng)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，每次實驗中橡皮筋伸長的長度都保持一致。實驗中小車獲得的速度由打點計時器所打的紙帶求出。 圖4 (1)木板水平放置，小車在橡皮筋作用下運動，當(dāng)小車速度最大

5、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.橡皮筋仍處于伸長狀態(tài) B.橡皮筋恰好恢復(fù)原長 C.小車緊靠著打點計時器 D.小車已超過兩個鐵釘?shù)倪B線 (2)如圖乙所示是某次操作正確的情況下，在頻率為50 Hz的電源下打點計時器記錄的一條紙帶，為了測量小車獲得的速度，應(yīng)選用紙帶的________(選填“A～F”或“F～I(xiàn)”)部分進行測量，速度大小為________m/s。 (3)通過該實驗的正確操作和正確處理數(shù)據(jù)，應(yīng)該得出合力做的功W和物體速度v變化的關(guān)系是________(用本問中的字母表達(dá))。 解析　(1)平衡摩擦力后，橡皮筋的拉力等于小車受到

6、的合力，橡皮筋做功完畢，小車的速度最大。若不進行平衡摩擦力操作，則當(dāng)橡皮筋的拉力等于摩擦力時，速度最大，本題中木板水平放置，顯然沒有進行平衡摩擦力的操作，因此當(dāng)小車的速度最大時，橡皮筋仍處于伸長狀態(tài)，故選項B、C、D錯誤，A正確。 (2)小車在橡皮筋的作用下先做加速運動，橡皮筋做功完畢，則速度達(dá)到最大，此后做勻速運動，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(yīng)選用紙帶點距均勻的部分進行測量，即F～I(xiàn)，所以速度為v＝ m/s＝0.76 m/s。 (3)所以W與v2成正比，即W∝v2。 答案　(1)A　(2)F～I(xiàn)　0.76　(3)W∝v2 熱點二　實驗拓展創(chuàng)新

7、 1.裝置時代化 2.求解智能化 (1)摩擦阻力問題：靠小車重力的下滑分力平衡摩擦力→自由下落阻力減少→氣墊導(dǎo)軌減少摩擦力。 (2)速度的測量方法：勻速運動速度→測量紙帶上各點速度→光電門v＝→速度傳感器直接顯示速度大小。 【例2】　(2017·北京理綜，21)如圖5所示，用質(zhì)量為m的重物通過滑輪牽引小車，使它在長木板上運動，打點計時器在紙帶上記錄小車的運動情況。利用該裝置可以完成“探究動能定理”的實驗。 圖5 (1)打點計時器使用的電源是________(選填選項前的字母)。 A.直流電源 B.交流電源 (2)實驗中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正確操作

8、方法是________(選填選項前的字母)。 A.把長木板右端墊高 B.改變小車的質(zhì)量 在不掛重物且________(選填選項前的字母)的情況下，輕推一下小車。若小車拖著紙帶做勻速運動，表明已經(jīng)消除了摩擦力和其它阻力的影響。 A.計時器不打點 B.計時器打點 (3)接通電源，釋放小車，打點計時器在紙帶上打下一系列點，將打下的第一個點標(biāo)為O。在紙帶上依次取A、B、C……若干個計數(shù)點，已知相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T，測得A、B、C……各點到O點的距離為x1、x2、x3……，如圖6所示。 圖6 實驗中，重物質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，可認(rèn)為小車所受的拉力大小為mg，從打O點到打B點

9、的過程中，拉力對小車做的功W＝________，打B點時小車的速度v＝________。 (4)以v2為縱坐標(biāo)，W為橫坐標(biāo)，利用實驗數(shù)據(jù)做出如圖7所示的v2－W圖象。由此圖象可得v2隨W變化的表達(dá)式為________。根據(jù)功與能的關(guān)系，動能的表達(dá)式中可能包含v2這個因子，分析實驗結(jié)果的單位關(guān)系，與圖線斜率有關(guān)的物理量應(yīng)是________。 圖7 (5)假設(shè)已經(jīng)完全消除了摩擦力和其它阻力的影響，若重物質(zhì)量不滿足遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量的條件，則從理論上分析，下圖中正確反映v2－W關(guān)系的是________。 解析　(1)打點計時器使用交流電源。 (2)平衡摩擦力的方法為將木板一端墊高，使得

10、重力沿木板方向的分力與所有阻力(包括打點過程中的阻力)平衡，使小車做勻速直線運動；判斷小車做勻速直線運動是根據(jù)紙帶上相鄰點間的距離相等判定，故需計時器打點。 (3)拉力大小為mg，O到B位移為x2，根據(jù)功的公式W＝Fx，得W2＝mgx2。由于小車做勻加速直線運動，B點為AC時間中點，AC段平均速度等于B點瞬時速度，即v＝。 (4)由v2－W圖象為直線得，v2＝kW＋b，從圖中讀出b＝0.01，在圖中直線上任取兩個相距較遠(yuǎn)的點，可得k＝4.8，所以v2＝4.8W＋0.01。由等式兩端的物理量單位可知，左側(cè)單位m2·s－2，右側(cè)W單位為J。所以k的單位為＝＝，所以與斜率有關(guān)的物理量是質(zhì)量。

11、(5)該實驗與教材實驗不同，不是使用不同數(shù)量的橡皮筋，每次測量一個速度，而是重物質(zhì)量確定，一次實驗中取不同位置的點，測量多個速度。設(shè)小車質(zhì)量為M，以重物與小車整體為研究對象，則a＝，設(shè)小車滑行x時速度為v，則v2－0＝2ax。可得v2＝·mgx。實驗中認(rèn)為W＝mgx，所以v2＝·W，m與M為定值，故選項A正確。 答案　(1)B　(2)A　B　(3)mgx2　 (4)v2＝4.8W＋0.01　質(zhì)量　(5)A 【變式訓(xùn)練2】　某校物理興趣小組利用如圖8所示裝置探究合力做功與動能變化的關(guān)系。在滑塊上安裝一遮光條，系輕細(xì)繩處安裝一拉力傳感器(可顯示出輕細(xì)繩的拉力)，把滑塊放在水平氣墊導(dǎo)軌上A處，

12、細(xì)繩通過定滑輪與鉤碼相連，光電門安裝在B處。氣墊導(dǎo)軌充氣，將滑塊從A位置由靜止釋放后，拉力傳感器記錄的讀數(shù)為F，光電門記錄的時間為Δt。 圖8 (1)用螺旋測微器測量遮光條的寬度，如圖9所示，則寬度為__________mm。 圖9 (2)多次改變鉤碼的質(zhì)量(拉力傳感器記錄的讀數(shù)F相應(yīng)改變)，測得多組F和Δt數(shù)據(jù)，要得到線性變化圖象，若已知選定F作為縱坐標(biāo)，則橫坐標(biāo)代表的物理量為______。 A.Δt B.(Δt)2 C. D.()2 (3)若正確選擇橫坐標(biāo)所代表的物理量后，得出線性變化圖象的斜率為k，且已經(jīng)測出A、B之間的距離為s，遮光條的寬度為d，則滑塊質(zhì)量(

13、含遮光條和拉力傳感器)的表達(dá)式為M＝__________。 解析　(1)根據(jù)螺旋測微器讀數(shù)規(guī)則，遮光條的寬度d＝2.5 mm＋0.058 mm＝ 2.558 mm。 (2)根據(jù)動能定理得Fs＝Mv2，v＝，聯(lián)立解得F＝()2，選定F作為縱坐標(biāo)，則橫坐標(biāo)代表的物理量為()2，選項D正確。 (3)得出線性變化圖象的斜率為k，由k＝解得M＝。 答案　(1)2.558　(2)D　(3) 1.某學(xué)習(xí)小組在“探究功與速度變化的關(guān)系”的實驗中采用了如圖10所示的實驗裝置。 圖10 (1)將氣墊導(dǎo)軌接通氣泵，通過調(diào)平螺絲調(diào)整氣墊導(dǎo)軌使之水平，檢查是否調(diào)平的方法是____________

14、_______。 (2)如圖11示，游標(biāo)卡尺測得遮光條的寬度Δd＝________cm。實驗時，將橡皮條掛在滑塊的掛鉤上，向后拉伸一定的距離，并做好標(biāo)記，以保證每次拉伸的距離恒定?，F(xiàn)測得掛一根橡皮條時，滑塊彈離橡皮條后，經(jīng)過光電門的時間為Δt，則滑塊最后勻速運動的速度表達(dá)式為________(用字母表示)。 圖11 (3)逐根增加橡皮條，記錄每次遮光條經(jīng)過光電門的時間，并計算出對應(yīng)的速度。則畫出的W－v2圖象應(yīng)是____________________________。 解析　(1)檢查導(dǎo)軌是否水平的方法：將滑塊輕放在氣墊導(dǎo)軌上，看其是否滑動(或?qū)⒒瑝K輕放在氣墊導(dǎo)軌上，輕推滑塊看是

15、否勻速運動)。 (2)Δd＝5 mm＋0.05 mm×10＝5.50 mm＝0.550 cm 滑塊勻速運動的速度v＝。 (3)由動能定理可知，W＝mv2，故畫出的W－v2圖象應(yīng)是過坐標(biāo)原點的一條傾斜直線。 答案　(1)將滑塊輕置于氣墊導(dǎo)軌之上，看其是否滑動；或?qū)⒒瑝K輕置于氣墊導(dǎo)軌之上，輕推滑塊看是否勻速運動(其他方法正確均可)　(2)0.550　　(3)過坐標(biāo)原點的一條傾斜直線 2.為了“探究動能改變與合外力做功的關(guān)系”，某同學(xué)設(shè)計了如下實驗方案： 第一步：把帶有定滑輪的木板有滑輪的一端墊起，把質(zhì)量為M的滑塊通過細(xì)繩與質(zhì)量為m的帶夾子的重錘跨過定滑輪相連，重錘下連一穿過打點計時器的

16、紙帶，調(diào)整木板傾角，直到輕推滑塊后，滑塊沿木板向下勻速運動，如圖12甲所示。 第二步：保持長木板的傾角不變，將打點計時器安裝在長木板靠近滑輪處，取下細(xì)繩和重錘，將滑塊與紙帶相連，使紙帶穿過打點計時器，然后接通電源，釋放滑塊，使之從靜止開始向下加速運動，打出紙帶，如圖乙所示。打出的紙帶如圖丙所示。 圖12 請回答下列問題： (1)已知O、A、B、C、D、E、F相鄰計數(shù)點間的時間間隔為Δt，根據(jù)紙帶求滑塊運動的速度，打點計時器打B點時滑塊運動的速度vB＝________。 (2)已知重錘質(zhì)量為m，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間，要測出某一過程合外力對滑塊做的功還必須測出這一過程滑塊______

17、__(寫出物理量名稱及符號，只寫一個物理量)，合外力對滑塊做功的表達(dá)式W合＝________。 (3)算出滑塊運動OA、OB、OC、OD、OE段合外力對滑塊所做的功W以及在A、B、C、D、E各點的速度v，以v2為縱軸、W為橫軸建立直角坐標(biāo)系，描點作出v2－W圖象，可知該圖象是一條________，根據(jù)圖象還可求得________。 解析　(1)由打出的紙帶可知B點的速度為vB＝。 (2)由做功定義式可知還需要知道滑塊下滑的位移x，由動能定理可知W合＝ΔEk，即mgx＝ΔEk。 (3)v2－W圖象應(yīng)該為一條過原點的傾斜直線，根據(jù)ΔEk＝Mv2 可求得M的值。 答案　(1)　(2)下滑的

18、位移x　mgx　(3)過原點的傾斜直線　滑塊的質(zhì)量M 3.(2017·江蘇單科，10)利用如圖13所示的實驗裝置探究恒力做功與物體動能變化的關(guān)系。小車的質(zhì)量為M＝200.0 g，鉤碼的質(zhì)量為m＝10.0 g，打點計時器的電源為50 Hz的交流電。 圖13 (1)掛鉤碼前，為了消除摩擦力的影響，應(yīng)調(diào)節(jié)木板右側(cè)的高度，直至向左輕推小車觀察到_____________________________。 (2)掛上鉤碼，按實驗要求打出的一條紙帶如圖14所示。選擇某一點為O，依次每隔4個計時點取一個計數(shù)點。用刻度尺量出相鄰計數(shù)點間的距離Δx，記錄在紙帶上。計算打出各計數(shù)點時小車的速度v，其中

19、打出計數(shù)點“1”時小車的速度v1＝________m/s。 圖14 (3)將鉤碼的重力視為小車受到的拉力，取g＝9.80 m/s2，利用W＝mgΔx算出拉力對小車做的功W。利用Ek＝Mv2算出小車動能，并求出動能的變化量ΔEk。計算結(jié)果見下表。 W/×10－3J 2.45 2.92 3.35 3.81 4.26 ΔEk/×10－3J 2.31 2.73 3.12 3.61 4.00 請根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在方格紙上作出ΔEk－W圖象。 (4)實驗結(jié)果表明，ΔEk總是略小于W。某同學(xué)猜想是由于小車所受拉力小于鉤碼重力造成的。用題中小車和鉤碼質(zhì)量的數(shù)據(jù)可算出小車受到的實際拉力F＝________N。 解析　(1)該實驗?zāi)芷胶庑≤囁苣Σ亮Φ臉?biāo)志是在斜面上輕推小車，小車能做勻速直線運動。 (2)由題意可知，兩相鄰計數(shù)點間的時間T＝5×0.02 s＝0.1 s，在勻變速直線運動中，一段時間的中間時刻的瞬時速度等于平均速度，則v1＝＝× 10－2m/s＝0.228 m/s。 (3)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在方格紙上描點、連線如圖所示。 (4)對小車受力分析，由牛頓第二定律得，F(xiàn)＝Ma，同理對鉤碼有mg－F＝ma，聯(lián)立解得F＝mg＝0.093 N。 答案　(1)小車做勻速運動　(2)0.228　(3)見解析 (4)0.093