2022年高考物理總復習 第五單元 功和能第5節(jié) 實驗六 探究動能定理學案 新課標（北京專版）

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1、2022年高考物理總復習 第五單元 功和能 第5節(jié) 實驗六 探究動能定理學案 新課標（北京專版） (1)探究外力對物體做功與物體速度的關系。 (2)會用圖像法處理實驗數(shù)據(jù)，通過對實驗數(shù)據(jù)分析，總結(jié) 出做功與物體速度平方的關系。 (1)采用如圖實－6－1所示裝置，讓小車在橡皮筋作用下彈 出，使小車獲得速度后沿木板勻速滑行。當用一條橡皮 筋彈出時對小車做的功記為W，則用兩條、三條完全相 同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次……實驗，每次 橡皮筋都拉伸到同一位置釋放時，實驗中橡皮筋對小車 做的功就是2W、3W

2、…… 圖實－6－1 (2)由于橡皮筋每次實驗做的功使小車獲得的速度根據(jù)打點 計時器打出的紙帶得到。當?shù)贸鋈舾山M功和速度的數(shù)據(jù) 后，以橡皮筋對小車做的功W為縱坐標，分別以小車獲 得的速度v、v2……為橫坐標，以第1次實驗時的功W為 單位，用描點法分別作出W－v、W－v2……曲線，分析 曲線，得出橡皮筋對小車做的功與小車速度的定量關系。 小車(前面帶小鉤)、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條等長的橡皮筋、刻度尺。 (1)

3、按圖中所示將實驗儀器安裝好。 (2)平衡摩擦力：在長木板的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，紙帶打出的點間距均勻，即小車能勻速運動 為止。 (3)分別用1條、2條、3條、4條……橡皮筋做實驗，實驗 中橡皮筋拉伸的長度都與第一次相同。這時橡皮筋對 小車做的功分別為W、2W、3W……，標記好每次實驗 得到的紙帶。 2.實驗數(shù)據(jù)的分析 在坐標紙上畫出W－v和W－v2圖線(

4、“W”以一條橡皮筋做 的功為單位)。 圖實－6－33． 實驗結(jié)論 由圖像可知功與物體速度變化的關系為W∝v2。 (1)平衡摩擦力很關鍵，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做勻 速運動，找到木板一個合適的傾角。 (2)測小車速度時，應選紙帶上點距均勻的部分，也就是選 小車做勻速運動時打在紙帶上的點。 (3)橡皮筋應選規(guī)格一樣的且每次拉伸長度一樣。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

5、 出具體數(shù)值。 (1)誤差的主要來源是橡皮筋的長度、粗細不一，使橡皮筋 的拉力做的功W與橡皮筋的條數(shù)不成正比。 (2)沒有完全平衡摩擦力(傾角小)或平衡摩擦力過度(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，測量不準確帶來 誤差。 方案1 如圖實－6－4所示，將拉力傳感器固定在小車上，拉力傳感器可以記錄小車受到的拉力大小，在水平桌面上相距一定距離L的A、B兩點各安裝一個速度傳感器，分別記錄小車通過A、B時的速度大小，改變鉤碼的數(shù)量，分別得到對應拉力的功W和Δv2(即vA2－vB2)，也可驗證

6、得到W∝Δv2的結(jié)論。 圖實－6－4 方案2 如圖實－6－5甲所示將紙帶固定在重物上，讓紙帶穿過電火花計時器或電磁打點計時器。先用手提著紙帶，使重物靜止在靠近計時器的地方。然后接通電源，松開紙帶，讓重物自由下落，計時器就在紙帶上打下一系列小點。得到的紙帶如圖乙所示。 圖實－6－5 O點為計時器打下的第1個點，在紙帶上取相等距離的點A、B、C……，運算得到vA2、vB2、vC2……，重物從O到A、B、C ……重力所做的功分別為W、2W、3W …… ，由此，也可驗證得W∝v2的結(jié)論。 [例1]　“探究動能定理”的實驗裝置如圖實－6－

7、6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可由打點計時器所打的紙帶測出。 圖實－6－6 (1)關于該實驗，下列說法正確的是 。 A．打點計時器可以用直流電源供電，電壓為4～6 V B．實驗中使用的若干根橡皮筋的原長可以不相等 C．每次實驗中應使小車從同一位置由靜止彈出 D．利用每次測出的小車最大速度vm和橡皮筋做的功W， 依次作出W－vm、W－vm2、W－vm3、W2－

8、vm、W3－vm……的圖像，得出合力做功與物體速度變化的關系 (2)如圖實－6－7給出了某次在正確操作情況下打出的紙帶， 從中截取了測量物體最大速度所用的一段紙帶，測得O點到A、B、C、D、E各點的距離分別為OA＝5.65 cm，OB＝7.12 cm，OC＝8.78 cm，OD＝10.40 cm，OE＝11.91 cm。已知相鄰兩點打點時間間隔為0.02 s，則小車獲得的最大速度vm＝________ m/s。 圖實－6－7 [答案]　(1)CD　(2)0.83 [例2]　某同學用如圖實－6－8所示的實驗 裝置探究小車動能變化與合外力對它所做 功的關系。圖中A為小車，連接

9、在小車后 面的紙帶穿過打點計時器B的限位孔，它 們均置于水平放置的一端帶有定滑輪的足夠 長的木板上，C為彈簧測力計，不計繩與滑輪 圖實－6－8 的摩擦。實驗時，先接通電源再松開小車。打點計時器在紙帶上打下一系列點。 ( 1)該同學在一條比較理想的紙帶上，從點跡清楚的某點開始記為O點，順次選取5個點，分別測量這5個點到O之間的距離，并計算出它們與O點之間的速度平方差Δv2(Δv2＝v2－v02)，填入下表： 請以Δv2為縱坐標，以x為橫坐標在圖實－6－9方格紙中作 出Δv2－x圖像。若測出小車質(zhì)量為0.2 kg，結(jié)合圖像可求 得小車所受

10、的合外力的大小為________N。 圖實－6－9 (2)若該同學通過計算發(fā)現(xiàn)小車所受合外力小于測力計讀 數(shù)，明顯超出實驗誤差的正常范圍。你認為主要原因是___________________________________________，實驗操作中改進的措施是______________________。 [解析]　(1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)在Δv2－x坐標系中描點，然后用直線連接各點，如圖所示。 (2)測力計測的是細繩的拉力，小車還受到水平向左的 摩擦力，因此小車受的合力小于測力計的讀數(shù)。在木 板左端墊上一個小木塊，使左端稍微高一點，以平衡 摩擦力。 [答案]　(1

11、)圖像見解析　0.25 (2)小車滑行時所受摩擦阻力較大　使木板傾斜一定的角度以平衡摩擦力 [例3]　在追尋科學家研究足跡的過程中，某同學為探究恒力做功和物體動能變化間的關系，采用了如圖實－6－10甲所示的“探究物體加速度與物體質(zhì)量、受力之間關系”的實驗裝置。 圖實－6－10 (1)實驗時，該同學想用鉤碼的重力表示滑塊受到的合力，為了減小這種做法帶來的實驗誤差，你認為在實驗中應該采取的兩項措施是________和________。 (2)如圖乙所示是實驗中得到的一條紙帶，其中A、B、C、D、E、F是連續(xù)的六個計數(shù)點，相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T，相鄰計數(shù)點間距離已在圖中標出，測

12、出滑塊的質(zhì)量為M，鉤碼的總質(zhì)量為m。從打B點到打E點的過程中，為達到實驗目的，該同學應該尋找________和________之間的數(shù)值關系(用題中和圖中的物理量符號表示)。 [每課一測] 1．關于“探究動能定理”的實驗，下列敘述正確的是(　　) A．每次實驗必須設法算出橡皮筋對小車做功的具體數(shù)值 B．每次實驗中，橡皮筋拉伸的長度沒有必要保持一致 C．放小車的長木板應該盡量使其水平 D．先接通電源，再讓小車在橡皮筋的作用下彈出 解析：本實驗沒有必要測出橡皮筋做的功到底是多少焦耳，只要測出以后各次實驗時橡皮筋做的功是第一次實驗時的多少倍就已經(jīng)足夠了，A不正確；每次實驗橡皮筋

13、伸長的長度必須保持一致，只有這樣才能保證以后各次實驗時，橡皮筋做的功是第一次實驗時的整數(shù)倍，B不正確；小車運動中會受到阻力，只有使木板傾斜到一定程度，平衡掉摩擦力才能減小誤差，C不正確；實驗時，應該先接通電源，讓打點計時器開始工作，然后再讓小車在橡皮筋的作用下彈出，D正確。 答案：D 2．探究力對原來靜止的物體做的功與物體獲得的速度的關系，實驗裝置如圖實－6－11所示，實驗主要過程如下： 圖實－6－11 (1)設法讓橡皮筋對小車做的功分別為W、2W、3W…… (2)分析打點計時器打出的紙帶，求出小車的速度v1、v2、v3…… (3)作出W－v草圖； (4)分析W－v圖像。如果

14、W－v圖像是一條直線，表明W∝v；如果不是直線，可考慮是否存在W∝v2、W∝v3、W∝等關系。 以下關于該實驗的說法中有一項不正確，它是________。 A．本實驗設法讓橡皮筋對小車做的功分別為W、2W、3W、……所采用的方法是選用同樣的橡皮筋，并在每次實驗中使橡皮筋拉伸的長度保持一致。當用1條橡皮筋進行實驗時，橡皮筋對小車做的功為W，用2條、3條……橡皮筋并在一起進行第2次、第3次……實驗時，橡皮筋對小車做的功分別是2W、3W…… B．小車運動中會受到阻力，補償?shù)姆椒ǎ嚎梢允鼓景暹m當傾斜。 C．某同學在一次實驗中得到一條記錄紙帶。紙帶上打出的點，兩端密、中間疏。出現(xiàn)這種情況的原因可

15、能是沒有使木板傾斜或傾角太小。 D．根據(jù)記錄紙帶上打出的點，求小車獲得的速度的方法是以紙帶上第一點到最后一點的距離來進行計算。 解析：放開小車之后，小車在橡皮筋的作用下開始加速運動，等到橡皮筋與小車分離之后，小車做勻速直線運動。本實驗中測的速度是小車勻速運動的速度，而不是整個過程的平均速度，因此研究紙帶上打下的點一定是那些均勻分布的點。 答案：D 3．在“探究恒力做功與物體的動能改變量的關系”的實驗中備有下列器材：A.電磁打點計時器；B.天平；C.秒表；D.低壓交流電源；E.電池；F.紙帶；G.細線、砝碼、小車、砝碼盤；H.薄木板。 (1)其中多余的器材是________，缺少的器材

16、是________。 (2)測量時間的工具是________；測量質(zhì)量的工具是________。 (3)如圖實－6－12所示是打點計時器打出的小車(質(zhì)量為m)在恒力作用下做勻加速直線運動的紙帶。測量數(shù)據(jù)已用字母表示在圖中，打點計時器的打點周期為T。請分析：利用這些數(shù)據(jù)能否驗證動能定理？若不能，請說明理由；若能，請說出做法，并對這種做法做出評價。 圖實－6－12 解析：(1)計算小車速度是利用打上點的紙帶，故不需要秒表。電磁打點計時器應使用低壓交流電源，故多余的器材是C、E。測量點與點之間的距離要用毫米刻度尺，故缺少的器材是毫米刻度尺。 (2)測量時間的工具是電磁打點計時器，測量質(zhì)

17、量的工具是天平。 (3)能。從A到B的過程中，恒力做的功為WAB＝FxAB， 物體動能的變化量為EkB－EkA＝mvB2－mvA2＝m()2－m()2＝m， 只要驗證FxAB＝m即可。 優(yōu)點：A、B兩點的距離較遠，測量時的相對誤差較??； 缺點：只進行了一次測量驗證，說服力不強。 答案：(1)C、E　毫米刻度尺　(2)電磁打點計時器　天平 (3)見解析 4．某探究學習小組的同學們欲探究“做功與物體動能變化的關系”，他們在實驗室組裝了一套如圖實－6－13所示的裝置。 圖實－6－13 (1)該學習小組的同學想用砂和砂桶的重力作為滑塊受到的合外力，探究滑塊所受合外力做功與滑塊動

18、能變化的關系。為了實現(xiàn)這個想法，該小組成員提出了以下實驗措施，你認為有效的有________。 A．保持砂和砂桶的質(zhì)量遠大于滑塊的質(zhì)量 B．保持砂和砂桶的質(zhì)量遠小于滑塊的質(zhì)量 C．保持長木板水平 D．把長木板的左端墊起適當?shù)母叨纫云胶饽Σ亮? E．調(diào)整滑輪的高度使細線與長木板平行 (2)如圖實－6－14為實驗中打出的一條紙帶，現(xiàn)選取紙帶中的B、K兩點來探究滑塊所受合外力做功與滑塊動能變化的關系。已知打點計時器的打點周期為T，重力加速度為g。在本實驗中需要測量的物理量有：砂和砂桶的質(zhì)量m1、滑塊的質(zhì)量m2，A、C間的距離s1，J、L間的距離s2，B、K間的距離s。本實驗探究結(jié)果的表達式

19、為________。(用測量物理量相應的字母表示) 圖實－6－14 解析：(1)砂和砂桶的總質(zhì)量越小，產(chǎn)生的加速度越小，細線拉力越接近砂和砂桶的重力，誤差越小，故B正確；由于滑塊受到長木板的摩擦力作用，因此要先平衡摩擦力，D正確；為了使細線拉力與滑塊運動方向平行，需調(diào)整滑輪的高度使細線與長木板平行，E正確。 (2)選擇B、K之間的過程研究誤差較小，對滑塊，合外力可視為砂和砂桶的重力，做功為W＝m1gs。B、K兩處的速度分別為vB＝，vK＝，動能變化為m2vK2－m2vB2＝m2()2－m2()2，故探究結(jié)果的表達式為m1gs＝m2()2－m2()2。 答案：(1)BDE　(2)m1

20、gs＝m2()2－m2()2 5．為了探究恒力作用時的動能定理，某同學做了如下實驗，他讓滑塊在某一水平面上滑行，利用速度采集器獲取其初速度v，并測量出不同初速度的最大滑行距離x，得到下表所示幾組數(shù)據(jù)： 數(shù)據(jù)組 1 2 3 4 5 6 v/(m·s－1) 0 0.16 0.19 0.24 0.30 0.49 x/m 0 0.045 0.075 0.111 0.163 0.442 (1)一同學根據(jù)表中數(shù)據(jù)，作出x—v圖像如圖實－6－15甲所示。觀察該圖像，該同學作出如下推理：根據(jù)x—v圖像大致是一條拋物線，可以猜想，x可能與v2成正比。請在圖乙所示

21、坐標紙上選擇適當?shù)淖鴺溯S作出圖線驗證該同學的猜想。 圖實－6－15 (2)根據(jù)你所作的圖像，你認為滑塊滑行的最大距離x與滑塊初速度平方v2的關系是________________________________________________________________________。 解析：(1)做出x—v2的圖線如圖所示。 (2)由圖可以看出，滑塊滑行的最大距離x與滑塊初速度平方v2成正比。即：x∝v2。 答案：(1)見解析圖　(2)x∝v2 6．某同學利用打點計時器、已知質(zhì)量為m的滑塊、可調(diào)節(jié)高度的斜面、直尺等儀器進行“探究動能定理”的實驗，如圖實－6－16所示

22、，他首先將打點計時器固定在斜面的上端，并將滑塊與紙帶相連，讓紙帶穿過打點計時器，接通低壓交流電源(已知其頻率為f)后釋放 圖實－6－16 滑塊，打點計時器在紙帶上打下一系列記數(shù)點。 回答下列問題：(用已知字母表示) (1)寫出影響滑塊動能變化的主要因素______________________________________。 (2)該實驗探究中為了求合外力，應先求出滑塊與斜面的動摩擦因數(shù)。該同學通過多次調(diào)節(jié)斜面的高度，得到一條打點間距均 圖實－6－17 勻的紙帶，如圖實－6－17所示，此時相對應的斜面長為L、斜面高為h。由此可求出滑塊與斜面的動摩擦因數(shù)為μ＝_

23、_______。 (3)保持斜面長度不變，升高斜面高度到H(H>h)，該同學在實驗中得到一條打點清晰的紙帶，如圖實－6－18所示，用直尺測出x1、x2、x3，對A、B兩點研究：此時滑塊在A、B兩點的 速度大小為：vA＝________，vB＝________。 圖實－6－18 (4)如果該同學在記錄數(shù)據(jù)時各物理量的單位分別是：L、H、x1、x2、x3單位為cm，質(zhì)量m單位是kg，頻率f單位為Hz，重力加速度g單位為m/s2，對AB段進行研究，在實驗允許的誤差范圍內(nèi)，該同學根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)直接計算合外力對滑塊所做的功為W，滑塊動能的改變量為Δ

24、Ek，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者的差別很大，請分析其原因。寫出該同學計算出的數(shù)值W與ΔEk之間正確關系的表達式________。 解析：(1)由滑塊在斜面上運動可知，影響滑塊動能變化的是合外力的功，即重力做功和摩擦力做功。 (2)由題圖可知滑塊在斜面上做勻速直線運動，則有：mgsinθ＝μmgcosθ(θ為斜面的傾角)，可得μ＝tanθ＝。 (3)由運動學公式得A點的瞬時速度是vA＝＝f，B點的瞬時速度是vB＝＝f。 (4)該同學根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)直接計算合外力對滑塊所做的功為W和滑塊動能的改變量為ΔEk，兩者數(shù)值差別很大，說明該同學在探究動能定理時單位沒有統(tǒng)一用國際單位，應修正為W＝ΔEk×10－2 J。 答案：(1)重力做功、摩擦力做功　(2) (3)f　f　(4)W＝ΔEk×10－2 J