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1、實驗五 探究動能定理,實驗溯本求源實驗熱點探究課時鞏固訓練教師備用習題,一、實驗目的 探究外力對物體做功與物體的關(guān)系,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. 實驗方案一探究恒力做功與速度變化 1.實驗原理 重物通過滑輪牽引小車,當小車的質(zhì)量比重物 的質(zhì)量大得多且摩擦力忽略不計時,可以把重物所受的當作小車受到的牽引力.如圖S5-1所示.改變重物的質(zhì)量或者改變小車運動的,也就改變了牽引力做的功,從而探究牽引力做的功與小車獲得的速度間的關(guān)系.,,動能變化(或速度變化),,圖S5-1,重力,距離,2.實驗器材 小車、一端帶滑輪的長木板、砝碼、鉤碼、、打點計時器、紙帶、 等. 3.實驗步
2、驟 (1)墊高木板不帶滑輪的一端,. (2)在小車中放入砝碼,把紙帶穿過打點計時器,連在小車后端,用細線繞過滑輪連接小車和鉤碼. (3)將小車停在打點計時器附近,先接通電源,再釋放小車,關(guān)閉打點計時器電源. (4)改變鉤碼的數(shù)量,更換紙帶重復進行操作.,,天平,刻度尺,,平衡摩擦力,4.注意事項 (1)實驗前必須首先平衡摩擦力. (2)必須保證所懸掛鉤碼的重力遠小于小車的重力,這時鉤碼的重力才近似等于小車所受的合外力. 5.數(shù)據(jù)處理 (1)小車受到的合外力F:大小近似等于所掛鉤碼的重力mg,故用天平測出鉤碼的質(zhì)量m,可得Fmg. (2)通過紙帶測小車的位移l. (3)求出合力對小車做的功W=F
3、l=mgl.,,,,,,,圖S5-2,(1)一根橡皮筋作用在小車上移動距離x做功為W. (2)兩根橡皮筋作用在小車上移動距離x做功應為. (3)三根橡皮筋作用在小車上移動距離x做功應為. (4)利用打點計時器求出小車離開橡皮筋的速度,列表、作圖,由圖像可以確定功與速度變化的關(guān)系. 2.實驗器材 、小車、木板、、紙帶、、鐵釘?shù)?,,,2W,3W,橡皮筋,打點計時器,刻度尺,3.實驗步驟 (1)墊高木板的一端,平衡. (2)拉伸的橡皮筋對小車做功: 用一條橡皮筋拉小車做功為W. 用兩條橡皮筋拉小車做功為2W. 用三條橡皮筋拉小車做功為3W. (3)測出每次做功后小車獲得的. (4)分別用各次實驗測
4、得的v和W繪制W-v或W-v2、W-v3圖像,直到明確得出W和v的關(guān)系.,,,摩擦力,速度,4.實驗注意事項 (1)將木板一端墊高,使小車的重力沿斜面向下的分力與平衡.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做運動,找到長木板的一個合適的傾角. (2)測小車速度時,應選紙帶上點跡均勻的部分,也就是選小車做運動的部分. (3)橡皮筋應選規(guī)格相同的.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)小車質(zhì)量應大一些,使紙帶上打的點多一些.,,,摩擦阻力,勻速,5.實驗探究的技巧與方法 (1)不直接計算W的數(shù)值,而只是看第2次、第3次實驗中的W是第1次的
5、多少倍,簡化數(shù)據(jù)的測量和處理. (2)作W-v圖像,或W-v2、W-v3圖像,直到作出的圖像是一條傾斜的直線. 6.實驗結(jié)論 物體速度v與外力做功W間的關(guān)系:W與v2成正比.,,,熱點一實驗原理與實驗操作,,例1 某實驗小組用如圖S5-3所示的實驗裝置和實驗器材做“探究做功與物體速度變化的關(guān)系”實驗.在實驗中,該小組同學把沙 和沙桶的總重力當作小車受到的合外力. (1)為了保證實驗結(jié)果的誤差盡量小,在實驗 操作中,下面的做法必要的是(填選項 前的字母). A.實驗前要對裝置進行平衡摩擦力的操作 B.實驗操作時要先釋放小車,后接通電源,,,圖S5-3,,C.在利用紙帶進行數(shù)據(jù)處理時,所選的兩個研
6、究點離得越近越好 D.在實驗過程中要保證沙和沙桶的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量 (2)除實驗裝置中的儀器外,還需要的測量儀器有. (3)圖S5-4為實驗中打出的一條紙帶,現(xiàn)選取紙帶中的A、B兩點來探究功與速度變化的關(guān)系.已知打點計時器的打點周期為T,重力加速度為g.圖中已經(jīng)標明了要測量的物理量,另外,小車的質(zhì)量為M,沙和沙桶的總質(zhì)量為m.請你把要探究的結(jié)果用題中給出的字母表達出來:.,,,,圖S5-4,,,,,解析 (1)實驗前要對裝置進行平衡摩擦力的操作,以保證小車所受合外力恰好是細線的拉力,故A正確;實驗操作時,若先放開小車,再接通打點計時器電源,由于小車運動較快,可能打出來的點很少,不利于數(shù)據(jù)
7、的采集和處理,故B錯誤;在利用紙帶進行數(shù)據(jù)處理時,所選的兩個研究點離得越近測量誤差越大,故C錯誤;在實驗過程中要保證沙和沙桶的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量,這樣才能使得沙和沙桶的總重力近似等于細線對小車的拉力,故D正確.(2)本實驗需要測沙和沙桶的總質(zhì)量、小車的質(zhì)量,還需要測紙帶上各點的距離,所以所需的器材還應有天平和刻度尺.,,,,,,變式題 某學習小組做“探究做功與物體速度變化的關(guān)系”實驗的裝置如圖S5-5所示,圖中小車在一條橡皮筋作用下彈出,彈出后沿木板滑行,橡皮筋對小車做的功記為W.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(每次實驗中橡皮筋伸長的長度都保持一致), 每次實
8、驗中小車獲得的速度根據(jù)打點 計時器打在紙帶上的點進行計算.,,,,,圖S5-5,,(1)除了圖中已有的實驗器材外,還需要導線、開關(guān)、刻度尺和(選填“交流”或“直流”)電源. (2)實驗中,小車會受到摩擦力的作用,可以使木板適當傾斜來平衡摩擦力,則下面操作正確的是(填選項前的字母). A.放開小車,小車能夠自由下滑即可 B.放開小車,小車能夠勻速下滑即可 C.放開拖著紙帶的小車,小車能夠自由下滑即可 D.放開拖著紙帶的小車,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(填選項前的字母).
9、 A.橡皮筋處于原長狀態(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)在正確操作的情況下,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,應選用紙帶的部分進行測量.(根據(jù)如圖S5-6所示的紙帶回答),,,,,,圖S5-6,,,,,解析 (1)打點計時器使用的是交流電源. (2)平衡摩擦力時,應將紙帶穿過打點計時器,放開拖著紙帶的小車,小車能夠勻速下滑即可,D正確. (3)水平放置木板,放開小車后,小車做加速運動,當橡皮筋的拉力等于摩擦力時,小車的速度最大,此時橡皮筋仍處于伸長狀態(tài),小車沒過兩個鐵釘?shù)倪B線,B正確,A、C、D錯誤. (4)從紙帶上
10、看,紙帶的GJ段打點比較均勻,所以應選用紙帶的GJ段進行測量.,熱點二數(shù)據(jù)處理與誤差分析,,例2 某同學為探究做功與物體速度變化的關(guān)系,設(shè)計了如下實驗,他的操作步驟是: A.安裝好實驗裝置如圖S5-7所示. B.將質(zhì)量為200 g的小車拉到打點計時器附近,并按住小車. C.在質(zhì)量為10 g、30 g、50 g的三種鉤碼中,他挑選 了一個質(zhì)量為50 g的鉤碼掛在繩子的掛鉤P上. D.打開打點計時器的電源,釋放小車,打出一條紙帶.,,,,圖S5-7,,(1)在多次重復實驗得到的紙帶中取出自認為滿意的一條.經(jīng)測量、計算,得到如下數(shù)據(jù):(g取10 m/s2) 第1個點到第N個點的距離為40.0 cm.
11、打下第N點時小車的速度大小為1.00 m/s. 該同學將鉤碼的重力當作小車所受的拉力,算出拉力對小車做的功為J,小車動能的增量為J. (2)此次實驗探究結(jié)果,他沒能得到“恒力對物體做的功等于物體動能的增量”,且誤差很大,顯然在實驗探究過程中忽視了各種產(chǎn)生誤差的因素.請你根據(jù)該同學的實驗裝置和操作過程幫助分析一下,造成較大誤差的主要原因是(至少答兩條原因): ..,,,,,,,答案 (1)0.200.10(2)小車質(zhì)量沒有遠大于鉤碼質(zhì)量沒有平衡摩擦力,,,,,變式題 如圖S5-8所示是某研究性學習小組做“探究做功與物體速度變化的關(guān)系”實驗時,小車在一條橡皮筋作用下彈出并沿木板滑行的情形.這時,橡
12、皮筋對小車做的功記為W.當把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. 小車在每次實驗中獲得的速度由打點計時 器打出的紙帶測出.,,,,,圖S5-8,,,,,(1)除了圖中已給出的實驗器材外,還需要的器材有. (2)平衡摩擦力后,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)下面是本實驗的數(shù)據(jù)記錄表,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.,,,,,,,,,,,,,,,,(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,請你根據(jù)表中測定的數(shù)據(jù)在如圖S5-9所示的
13、坐標系中作出相應的圖像驗證理論的正確性.,,,,,,圖S5-9,,,,,答案 (1)刻度尺(2)點距均勻(3)2W3W4W5W(4)圖略,熱點三實驗拓展與實驗創(chuàng)新,,,,,,,,,,,,圖S5-10,,,,,,(1)為減小實驗誤差,彈射裝置距離軌道端點O應該(選填“近些”或“遠些”). (2)實驗中(選填“需要”或“不需要”)測量桌面的高度. (3)改變彈簧的壓縮量x,并測出對應的小球做平拋運動的水平位移s,在圖S5-11的坐標紙中根據(jù)已描出的點作出合理的圖線.,,圖S5-11,,,,,,,,,,,,,1.做“探究功和速度變化的關(guān)系”實驗時,有如圖S5-12甲、乙所示的兩套實驗裝置.請回答下列
14、問題. (1)兩種實驗裝置都必須滿足的條件或進行的操作是(填選項前的字母). A.都需要平衡摩擦力 B.小車的質(zhì)量必須足夠大,甲圖中小車的質(zhì)量要遠大于橡皮筋的質(zhì)量,乙圖中小車的質(zhì)量要遠大于鉤碼的質(zhì)量 C.木板必須是光滑的 D.所用的打點計時器都必須使用交流電源,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,圖S5-12,,,,,(2)用圖甲實驗裝置打的紙帶如圖丙所示,其中在AG段小車做加速運動,在GJ段小車做勻速運動,那么應該用(選填“AG” 或“GJ”)段來計算小車的速度. (3)用圖乙實驗裝置打出的紙帶如圖丁所示.某同學想利用BE段驗證動能定理,測出紙帶上A、C間的距離為s1,D、F間的距離為s
15、2,B、E間的距離為s3;該同學又用天平分別測出小車質(zhì)量為M, 鉤碼的總質(zhì)量為m;已知打點計時器的打點頻率為f,重力加速度為g.從打B點到打E點的過程中,合力對小車做的功是,小車動能的增量是.(用題中的物理量符號表示),,,,,,,,,,,,,,,,,,,2.用如圖S5-13甲所示裝置探究功與速度變化的關(guān)系,進行的主要操作步驟如下: a.不掛橡皮筋,調(diào)整木板的傾斜程度,使小車拖動紙帶勻速運動; b.將小車拉至靠近打點計時器處,接通打點計時器電源,放開小車; c.加掛一條、兩條相同的橡皮筋,重復b步驟.,,,,,,圖S5-13,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(2)若掛一條橡皮筋時E點之后相
16、鄰兩點之間的距離均為x1,掛兩條時E點之后相鄰兩點之間的距離均為x2,則x1x2=. (3)若測得A、B、C、D四點之間的距離分別為xAB、xBC、xCD,則(填選項前的字母). A. xBC-xAB =xCD-xBC B. xBC-xABxCD-xBC,,,,,,,,,3.2018福州十中月考 探究外力做功與物體動能變化關(guān)系的實驗裝置如圖S5-14所示,根據(jù)實驗中力傳感器讀數(shù)和紙帶的測量數(shù)據(jù) 可求得外力對小車做的功和小車動能的變化. (1)關(guān)于該實驗,下列說法中正確的是(填選 項前的字母). A.調(diào)整滑輪高度,使連接小車的細線與木板平行 B.實驗中要始終滿足鉤碼的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量 C.若
17、紙帶上打出的是短線,可能是打點計時器輸入電壓過高造成的 D.平衡摩擦力時,調(diào)整墊塊的高度,改變鉤碼質(zhì)量,使小車能在木板上做勻速運動,,,,,,,圖S5-14,,,,,(2)除了圖中給出的器材外,實驗中還需要交流電源、導線、刻度尺和. (3)某次實驗中打出了一條紙帶,其中一部分如圖S5-15所示.圖中各點是連續(xù)的計時點,A、B、D、E、F各點與O點間的距離如圖所示,設(shè)小車質(zhì)量為m,打點周期為T,本次實驗過程中力傳感器的讀數(shù)為F,則A到E過程外力做功W1=,小車動能變化Ek1 =;在不同次實驗中測得多組外力做功W和對應的動能變化Ek的數(shù)據(jù),作出W-Ek圖像如圖S5-16所示,圖線斜率約等于1,由此
18、得出的結(jié)論是.,,,,,,,,,,,,,,,,,,圖S5-15,圖S5-16,,,,,解析 (1)為了使得細線的拉力等于小車的合力,應使得連接小車的細線與木板平行,選項A正確;由于本實驗中細線的拉力可以通過力傳感器讀出,所以不需要始終滿足鉤碼的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量,選項B錯誤;打的不是點,而是短線,可能是因為振針過低,也可能是因為所加電壓過高,使振幅過大,選項C正確;平衡摩擦力時,在小車不懸掛鉤碼的情況下,調(diào)整墊塊的高度,使得小車能在木板上做勻速直線運動,選項D錯誤.(2)因為要計算小車的動能,所以還需要測量小車的質(zhì)量,故需要天平.,,,,,,,,,4.某同學用圖S5-17甲所示的實驗裝置探究
19、恒力做功與小車動能變化的關(guān)系. (1)為了能用沙和沙桶的總重力所做的功表示小車所受拉力做的功,本實驗中小車質(zhì)量M (選填“需要” “不需要”)遠大于沙和沙桶的 總質(zhì)量m.,,,,,,,,,圖S5-17,,,,,(2)圖乙為實驗得到的一條清晰的紙帶,A、B、C、D、E、F、G是紙帶上7個連續(xù)的點,sAD= cm.已知電源頻率為50 Hz,則打點計時器在打D點時紙帶的速度 v=m/s (保留兩位有效數(shù)字). (3)該同學畫出小車動能變化Ek與拉力對小車所做的功W的關(guān)系圖像,由于實驗前遺漏了平衡摩擦力這一關(guān)鍵步驟,他得到的實驗圖線(實線)應該是圖S5-18中的 (填選項字母).,,,,,,,,,,,
20、,,,,,,,,,,,圖S5-18,,,,,,,,,1.某實驗小組想通過如圖所示的實驗裝置來探究功與速度變化的關(guān)系.實驗中通過改變橡皮筋的條數(shù)來改變外力對小車做功W的數(shù)值,用速度傳感器測出每次小車獲得的速度v. (1)下列關(guān)于本實驗的說法中正確的是(填選項前的字母). A.本實驗需要先平衡摩擦力 B.實驗中必須測出小車的質(zhì)量m C.實驗中必須測出橡皮筋對小車做功的具體數(shù)值 D.每次所用的橡皮筋應該是相同規(guī)格,且每次都拉伸到同一位置,,,,,,,,,,,(2)某次實驗中同學們通過速度傳感器得到小車沿木板運動的速 度隨時間變化的關(guān)系圖像如圖所示,圖中0t1內(nèi)的圖線為曲線,t1 t2內(nèi)的圖線為直線.
21、由此可知,該實驗中存在的不當之處是. (3)同學們糾正不當之處后,先后用一根、兩根、三根、四根、 五根橡皮筋做實驗,通過速度傳感器測出小車各次獲得的速度, 并畫出v2-W圖像如圖所示.測得該圖線的斜率為k,由此可以計算 出本實驗中所用的小車的質(zhì)量為.,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2.某實驗小組設(shè)計了如圖甲所示的實驗裝置來做“探究做功和物體速度變化的關(guān)系”的實驗,實驗裝置中PQ為一塊傾斜放置的木板,木板可認為是光滑的,在其上固定一個光電門,用來測量物塊上遮光條通過光電門的時間. (1)若用游標卡尺測量遮光條的寬度,如圖乙所示,則示數(shù)為d=mm,遮光條通過光電門時,顯示時間為t=0.0
22、02 s,則物塊通過光電門的瞬時速度為 m/s.,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3.利用如圖甲所示的實驗裝置探究恒力做功與系統(tǒng)動能變化的關(guān)系,已知小車質(zhì)量為470.0 g,打點計時器所用交流電的頻率為50 Hz,重力加速度g取9.8 m/s2. (1)掛小沙桶前,為了消除摩擦力的影響,應調(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30.0 g的小沙桶,按實驗要求打出的一條紙帶如圖乙所示,選擇某一點為0,之后每5個計時點取一個計數(shù)點,用刻度尺量出幾個相鄰計數(shù)點間的距離記錄在紙帶上,測得計數(shù)點“1”到計數(shù)點“6”之間的距離為18.00
23、cm,由計數(shù)點“1”到計數(shù)點“6”的運動過程中,小沙桶所受重力做的功為J,小車和小沙桶系統(tǒng)動能的增加量為J.(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字),,,,,,,,,,,,,,,,,,4.如圖所示是某小組利用滑塊驗證動能定理的實驗裝置,在滑塊上安裝一遮光條與拉力傳感器,把滑塊放在水平氣墊導軌上,跨過定滑輪的細繩一端與滑塊相連,另一端與鉤碼相連,光電門安裝在B處.測得滑塊(含遮光條和拉力傳感器)質(zhì)量為M,鉤碼的總質(zhì)量為m,遮光條的寬度為d,當?shù)氐闹亓?加速度為g.當氣墊導軌充氣后,將滑塊在圖示 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t.a,,,,,,,,,,,(1)實驗中(選填“要求”或“不要求”)鉤碼總質(zhì)量m遠小于滑塊質(zhì)量M. (2)實驗中還需要測量的物理量是(用文字及相應的符號表示). (3)本實驗中利用滑塊驗證動能定理的表達式為(用以上對應物理量的符號表示). (4)為減小實驗誤差,可采取的方法是(填選項前的字母). A.增大A、B之間的距離B.減小鉤碼的總質(zhì)量 C.增大滑塊的質(zhì)量D.減小遮光條的寬度,,,,,,,
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