2013屆第五單元功和能第5節(jié)實驗六探究動能定理解析

1、2013 屆新課標高考物理總復(fù)習(xí)學(xué)案第五單元功和能第 5 5 節(jié)實驗六探究動能定理直$實驗;理爸)指導(dǎo)一實驗?zāi)康?1) 探究外力對物體做功與物體速度的關(guān)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(guān)系。二實驗原理(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圖實一 61(2)由于橡皮筋每次實驗做的功使小車獲得的速度根據(jù)

2、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(guān)系。Cl實驗器材小車(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(xué)生電源及導(dǎo)線(使用電火花計時器不用學(xué)生電源 卜 56 條等長的橡皮筋、刻度尺。即實驗步刁T(1) 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(fù)移動木板的位置，直至小車上不掛橡 皮筋時

3、，紙帶打出的點間距均勻，即小車能勻速運動 為止。橡皮筋橡皮筋分別用 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。五數(shù)據(jù)處理1 1.測量小車的速度實驗獲得如圖實-6 6-2 2 所示的紙帶，為探究|.i iAjAjAi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，即小圖實一 6 6-2 2車做勻速運動的速度，應(yīng)在紙帶上測量的物理量是：A Ai、A A2間的距離 x x,小車速度的表達式是v = (T(T 為打點計時器打點的時間間隔) )，把實驗中得到的紙帶分別

4、用同樣的方法 處理得到小車的速度，并運算速度的平方，實驗數(shù)據(jù)記錄 在下列表格中。橡皮筋條數(shù)位移 x/m時間 t/s速度 v/(m s1)速度平方 v2/(m2s-2)2實驗數(shù)據(jù)的分析在坐標紙上畫出 W v 和 W v2 圖線(“ 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(guān)系為W x v2o六注意事項(1) 平衡摩擦力很關(guān)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(yīng)選紙帶上點距均勻的部分，也就是選小車做勻速運動

5、時打在紙帶上的點。(3) 橡皮筋應(yīng)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 出具體數(shù)值。七誤差分析(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。萬案 1如圖實-64 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

6、別得到對應(yīng)拉力的功W 和厶 v2(即 vA2vB2)，也可驗證得到 Wx v2 的結(jié)論。圖實一 6-4萬案 2如圖實一 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。圖實一 6 50 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 0 到 A、B、C重力所做的功分別為 W、2W、3W 由此，也可驗證得 Wxv2 的結(jié)論?？紪它c一對實驗原理的考查例 1 “探究動能定理”

7、的實驗裝置如圖實一 6 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?？记榘咐龑?dǎo)析速度傳感晉I I甲電火花計時器亠打點計時器圖實一 66關(guān)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46VB 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(yīng)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

8、W,依次作出 W vm、W vm2、W vm3、W2 vm、W3 vm 的圖像，得出合力做功與 物體速度變化的關(guān)系(2)如圖實一 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0 點到 A、B、C、D、E 各點的距離分別為0A= 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。運動方向圖實一 67答案(1)CD(2)0.83考査點二實驗數(shù)據(jù)的處理及誤差分析例 2某同學(xué)用如圖實一 6

9、 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(guān)系。圖中 A 為小車，連接在小車后 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 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(xué)在一條比較理想的紙帶上，從點跡清楚的某點開始記為分別測量這 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 v2( v2 = v2 v02)，填入下表：點跡x/cmv2/(m2s&O/11.600.0423.600.0936.000.1547.000.1859.20

10、0.23請以 v2 為縱坐標，以 x 為橫坐標在圖實6 9 方格紙中作圖實一 6 8出厶 v2 x 圖像。若測出小車質(zhì)量為 0.2 kg ,結(jié)合圖像可求 得小車所受的合外力的大小為_ N。圖實一 69(2)若該同學(xué)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 v2 x 坐標系中描點，然后用直線連接各點，如圖所示。由動能定理得：12 2F合x = qm(v v0)所以：22F合v二 mx，由圖像得：k = 2.5 ,再由 k= 得：m(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

11、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)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考査點三創(chuàng)新實驗設(shè)計例 3在追尋科學(xué)家研究足跡的過程中，某同學(xué)為探究恒力做功和物體動能變化間的關(guān)系,合=km2=0.25 N采用了如圖實一 6 10 甲所示的“探究物體加速度與物體質(zhì)量、受力之間關(guān)系”的實驗裝置。長木板水平實 丨 矗臺鉤碼A H CDE Z *|111- -. . .1 Ax,Ax?心曲1Ajfi1工吊1乙圖實一 6 10(1) 實驗時，該同學(xué)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

12、來的實驗誤差，你認為在實驗中應(yīng)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?zāi)康?，該同學(xué)應(yīng)該尋找 _和_ 之間的數(shù)值關(guān)系(用題中和圖中的物理量符號表示)。解析(1)只有鉤碼的總質(zhì)量遠小于滑塊質(zhì)量且平衡摩擦 力才能實現(xiàn)鉤碼的重力近似等于滑塊所受合力。實驗的目的就是探究恒力做功和物體動能變化之間的關(guān)系，從 B 至UE,恒力做功即 mg( &2+AX3+AX4) )，動能、八1

13、AX4+從521AX1+ AX22匕= 宀心變化2M(2T) )22M(2T) )2，所以需要尋找它們之間的關(guān)系。答案(1)保證鉤碼的總質(zhì)量遠小于滑塊的質(zhì)量平衡摩擦力(2) mg( A( (2+ AX3+A( (4) )1AX4+ AX521AX1+ AX222M(2T) 2M(2T)每課一測1.關(guān)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(shè)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(yīng)該盡量使其水平打點計時器爭塊細線滑輪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

14、要測出以后各次實驗時橡必須保持一致，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(yīng)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：D2探究力對原來靜止的物體做的功與物體獲得的速度的關(guān)系，實驗裝置如圖實一 6- 11所示，實驗主要過程如下：(1) 設(shè)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 一 v 圖像。如果 W v

15、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* v 等關(guān)系。以下關(guān)于該實驗的說法中有一項不 正確，它是_。A .本實驗設(shè)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、3WB 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(xué)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) 這種情況的原因可能是沒有使木

16、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；每次實驗橡皮筋伸長的長度圖實一 6 11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：D3在“探究恒力做功與物體的動能改變量的關(guān)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

17、車、砝 碼盤；H.薄木板。其中多余的器材是_ ，缺少的器材是_。（2）_ 測量時間的工具是_ ;測量質(zhì)量的工具是。（3）如圖實一 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。1T訂* *TF.A f*-Xn-圖實一 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(yīng)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。測量

18、時間的工具是電磁打點計時器，測量質(zhì)量的工具是天平。能。從 A 到 B 的過程中，恒力做的功為WAB= FXAB,2 21物體動能的變化量為 EkB EkA= mvB mvA= 口（亓）口（亓）3m（2）=尹尹 厶丁厶??？,圖實一 6 13只要驗證即可。斛&尊;器廠塊畔澈輪水平實驗臺（1）該學(xué)習(xí)小組的同學(xué)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能變化的關(guān)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?/p>

19、E.調(diào)整滑輪的高度使細線與長木板平行如圖實一 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(guān)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mi、滑塊的質(zhì)量 m2. A、C 間的距離 si,J、L 間的距離 S2, B、K 間的距離 s。本實驗探究結(jié)果的表達式為 _。（用測量物理量相應(yīng)的字母表示）紳電 冬 I$ 丫圖實一 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

20、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S1S2一一12121 S2 2為 W= m1gSoB、K 兩處的速度分別為 VB= 2T，VK= 2T，動能變化為？m2VK ?m2VB= ? ?口口2（牙（牙）-如2（霽（霽2，故探究結(jié)果的表達式為 m1gS=如2（弄）（弄）21m2（2ST）2o答案：（BDE（2）m1gS=如2（為（為2如2（冷（冷25為了探究恒力作用時的動能定理，某同學(xué)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

21、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1234561v/(m )00.160.190.240.300.49x/m00.0450.0750.1110.1630.442(1)一同學(xué)根據(jù)表中數(shù)據(jù)，作出Xv 圖像如圖實一 6- 15 甲所示。觀察該圖像，該同學(xué)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 V1 2 3成正比。請在圖乙所示坐標紙上選擇適當?shù)淖鴺溯S作出圖線驗證該同學(xué)的猜想。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：XX/2。答案：(1)見解析圖(2)XXV26某同學(xué)利用打

22、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，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?；卮鹣铝袉栴}：(用已知字母表示)2 寫出影響滑塊動能變化的主要因素 _ 。3 該實驗探究中為了求合外力，應(yīng)先求出滑塊與斜面的動摩.擦因數(shù)。該同學(xué)通過多次調(diào)節(jié)斜面的高度，得到一條打點間距均圖實一 6- 17勻的紙帶，如圖實一 6- 17 所示，此時相對應(yīng)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)為尸_ 。(3)保持斜面長度不變，升高斜面高度到 H(Hh)，該同學(xué)在實驗中得到一條打點清晰的紙帶，如圖實一6- 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