創(chuàng)新大課堂2017屆新課標(biāo)高考物理一輪課件5實(shí)驗(yàn)5探究動(dòng)能定理

第五章 機(jī)械能實(shí)驗(yàn)五 探究動(dòng)能定理[基礎(chǔ)梳理]一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康奶骄客饬?duì)物體做功與物體速度的關(guān)系．通過實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理不是直接測(cè)量對(duì)小車做功，而是通過改變橡皮筋條數(shù)確定對(duì)小車做功W、2W、3W….由于橡皮筋做功而使小車獲得的速度可以由紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)出，也可以用其他方法測(cè)出．這樣，進(jìn)行若干次測(cè)量，就得到若干組功和速度的數(shù)據(jù)．以橡皮筋對(duì)小車做的功為縱坐標(biāo)，小車獲得的速度為橫坐標(biāo)，作出W－v曲線，分析這條曲線，可以得知橡皮筋對(duì)小車做的功與小車獲得的速度的定量關(guān)系．三、實(shí)驗(yàn)器材小車(前面帶小鉤)、100g～200g砝碼、長(zhǎng)木板，兩側(cè)適當(dāng)?shù)膶?duì)稱位置釘兩個(gè)鐵釘、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器及紙帶、學(xué)生電源及導(dǎo)線(使用電火花計(jì)時(shí)器不用學(xué)生電源)、5～6條等長(zhǎng)的橡皮筋、刻度尺．四、實(shí)驗(yàn)步驟(1)按如圖所示將實(shí)驗(yàn)儀器安裝好，同時(shí)平衡摩擦力．(2)先用一條橡皮筋做實(shí)驗(yàn)，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶測(cè)出小車獲得的速度v1，設(shè)此時(shí)橡皮筋對(duì)小車做的功為W1，將這一組數(shù)據(jù)記入表格．用2條橡皮筋做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度與第一次相同，這樣橡皮筋對(duì)小車做的功為W2，測(cè)出小車獲得的速度v2，將數(shù)據(jù)記入表格．用3條、4條…橡皮筋做實(shí)驗(yàn)，用同樣的方法測(cè)出功和速度，記入表格．五、注意事項(xiàng)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(diǎn)計(jì)時(shí)器打在紙帶上的點(diǎn)的均勻程度判斷小車是否勻速運(yùn)動(dòng)，找到木板一個(gè)合適的傾角．測(cè)小車速度時(shí)，紙帶上的點(diǎn)應(yīng)選均勻部分的，也就是選小車做勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的．橡皮筋應(yīng)選規(guī)格一樣的．力對(duì)小車做的功以一條橡皮筋做的功為單位即可，不必計(jì)算出具體數(shù)值．小車質(zhì)量應(yīng)大一些，使紙帶上打的點(diǎn)多一些．六、誤差分析誤差的主要來源是橡皮筋的長(zhǎng)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．沒有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力時(shí)傾角過大．利用打上點(diǎn)的紙帶計(jì)算小車的速度時(shí)，測(cè)量不準(zhǔn)帶來誤差．(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄：橡皮筋條數(shù)位移x/m時(shí)間t/s速度v(m·s－1)速度平方v2(m2·s－2)(3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析：①觀察法：當(dāng)橡皮筋的條數(shù)成倍增加，即合外力做的功成倍增加時(shí)，觀察小車的速度或速度的平方如何變化，有何變化規(guī)律．②圖象法：在坐標(biāo)紙上(如圖所示)畫出W－v或W－v2圖線(“W”以一根橡皮筋做的功為單位)．(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：從圖象可知做功與物體速度變化的關(guān)系為W∝v2.該實(shí)驗(yàn)為什么必須平衡摩擦力？提示：平衡摩擦力就是讓重力沿斜面方向的分力與摩擦力相等，以保證小車所受合外力為橡皮筋的拉力，而使合外力的功與橡皮筋的條數(shù)成正比，若不平衡摩擦力，則合外力包含摩擦力，合外力的功與橡皮筋條數(shù)不成正比．為什么處理紙帶時(shí)，必須求勻速階段的速度？提示：橡皮筋恢復(fù)原長(zhǎng)時(shí)，做功結(jié)束，小車應(yīng)做勻速運(yùn)動(dòng)，測(cè)量勻速階段的速度，也就是橡皮筋剛做完功時(shí)的末速度．考向一對(duì)實(shí)驗(yàn)原理，器材及操作的考查典例1(2014·天津理綜，9(2))某同學(xué)把附有滑輪的長(zhǎng)木板平放在實(shí)驗(yàn)桌上，將細(xì)繩一端拴在小車上，另一端繞過定滑輪，掛上適當(dāng)?shù)你^碼，使小車在鉤碼的牽引下運(yùn)動(dòng)以此定量探究繩拉力做功與小車動(dòng)能變化的關(guān)系．此外，還準(zhǔn)備了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器及配套的電源、導(dǎo)線、復(fù)寫紙、紙帶、小木塊等．組裝的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示．若要完成該實(shí)驗(yàn)，必需的實(shí)驗(yàn)器材還有哪些

．實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，也先調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度，使?fàn)恳≤嚨募?xì)繩與木板平行．他這樣做的目的是下列的哪個(gè)

．(填字母代號(hào))A．避免小車在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生抖動(dòng)

B．可使打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出的點(diǎn)跡清晰

C．可以保證小車最終能夠?qū)崿F(xiàn)勻速直線運(yùn)動(dòng)

D．可在平衡摩擦力后使細(xì)繩拉力等于小車受的合力平衡摩擦力后，當(dāng)他用多個(gè)鉤碼牽引小車時(shí)，發(fā)現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)過快，致使打出的紙帶上點(diǎn)數(shù)較少，難以選到合適的點(diǎn)計(jì)算小車速度．在保證所掛鉤碼數(shù)目不變的條件下，請(qǐng)你利用本實(shí)驗(yàn)的器材提出一個(gè)解決辦法：

.他將鉤碼重力做的功當(dāng)作細(xì)繩拉力做的功，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)拉力做功總是要比小車動(dòng)能增量大一些．這一情況可能是下列哪些原因造成的

．(填字母代號(hào))A．在接通電源的同時(shí)釋放了小車

B．小車釋放時(shí)離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器太近

C．阻力未完全被小車重力沿木板方向的分力平衡掉

D．鉤碼做勻加速運(yùn)動(dòng)，鉤碼重力大于細(xì)繩拉力[解析]

(1)實(shí)驗(yàn)中要計(jì)算繩拉力對(duì)小車所做的功，根據(jù)公式W＝FL，其中F

為繩子上的拉力，需要用鉤碼的重力近似代替(另外，計(jì)算小車動(dòng)能

E

＝1

v2，需要稱量小車質(zhì)量)；Lk

2m為小車在拉力作用下的位移，可通過對(duì)紙帶的測(cè)量得出．因此，還需要用到的器材有刻度尺、天平．(2)細(xì)繩與木板平行，保證細(xì)繩對(duì)小車的拉力與木板平行，不會(huì)向上或向下傾斜，平衡摩擦力后，細(xì)繩對(duì)小車的拉力就等于小車受到的合力，D

正確．紙帶上點(diǎn)數(shù)較少說明小車運(yùn)動(dòng)過快，加速度較大，根據(jù)

F＝ma，若減小加速度，可采取增大小車質(zhì)量的方法，即在小車上加適量的砝碼(或鉤碼)．如果未完全平衡掉摩擦力，在運(yùn)動(dòng)中可能需要克服摩擦力做功，會(huì)出現(xiàn)拉力做功大于小車動(dòng)能增加量的情況，C正確．將鉤碼重力當(dāng)作拉力計(jì)算出的功，應(yīng)等于小車和鉤碼共同的動(dòng)能增量，大于小車動(dòng)能增量從動(dòng)力學(xué)的角度，因?yàn)殂^碼加速下落，對(duì)小車的拉力小于自身重力，D正確．[答案]

(1)刻度尺、天平(包括砝碼)

(2)D

(3)可在小車上加適量的砝碼(或鉤碼)

(4)CD考向二實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理典例2

(2013·四川理綜)如圖甲所示，某組同學(xué)借用“探究a與F、m之間的定理關(guān)系”的相關(guān)實(shí)驗(yàn)思想、原理及操作，進(jìn)行“研究合外力做功和動(dòng)能變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)：(1)為達(dá)到平衡阻力的目的，取下細(xì)繩及托盤，通過調(diào)整墊片的位置，改變長(zhǎng)木板傾斜程度，根據(jù)打出的紙帶判斷小車是否做

運(yùn)動(dòng)．(2)連接細(xì)繩及托盤，放入砝碼，通過實(shí)驗(yàn)得到圖乙所示的紙帶．紙帶上O為小車運(yùn)動(dòng)起始時(shí)刻所打的點(diǎn)，選取時(shí)間間隔為0.1

s的相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G.實(shí)驗(yàn)時(shí)小車所受拉力為0.2

N，小車的質(zhì)量為0.2

kg.請(qǐng)計(jì)算小車所受合外力做的功W

和小車動(dòng)能的變化ΔEk，補(bǔ)填表中空格(結(jié)果保留至小數(shù)點(diǎn)后第4

位).O—BO—CO—DO—EO—FW/J0.04320.05720.07340.0915ΔEk/J0.04300.05700.07340.0907分析上述數(shù)據(jù)可知：在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)W＝ΔEk，與理論推導(dǎo)結(jié)果一致．(3)實(shí)驗(yàn)前已測(cè)得托盤質(zhì)量為

7.7×10－3

kg，實(shí)驗(yàn)時(shí)該組同學(xué)放入托盤中的砝碼質(zhì)量應(yīng)為

kg.(g

取

9.8

m/s2，結(jié)果保留至小數(shù)點(diǎn)后第

3

位)[解析]

(1)平衡摩擦力后，重力分力等于小車所受的摩擦力，將小車釋放后，小車將做勻速直線運(yùn)動(dòng)．(2)已知拉力為0.2

N，所以，拉力所做的功W＝Fx＝0.2×0.557

5

J＝0.111

5

JFF

點(diǎn)的速度

v

＝xEGtEG＝(66.77－45.75)×0.01

m2×0.1

s＝1.051

m/sk所以動(dòng)能ΔE

＝12mv2＝0.110

5

J(3)對(duì)于小車，由牛頓第二定律可知Fa＝m＝1

m/s2對(duì)于托盤以及砝碼，m′g－F＝m′a即m′＝Fg－a＝0.023

kg所以，托盤中砝碼的質(zhì)量為(23.0－7.7)×10－3

kg≈0.015

kg.[答案]

(1)勻速直線(或勻速)

(2)0.111

5

J0．110

5

J (3)0.015

kg考向三

實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與設(shè)計(jì)典例3

(2014·廣東高考)某同學(xué)根據(jù)機(jī)械能守恒定律，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究彈簧的彈性勢(shì)能與壓縮量的關(guān)系．(1)如圖(a)，將輕質(zhì)彈簧下端固定于鐵架臺(tái)，在上端的托盤中依次增加砝碼，測(cè)量相應(yīng)的彈簧長(zhǎng)度，部分?jǐn)?shù)據(jù)如下表．由數(shù)據(jù)算得勁度系數(shù)k＝

N/m.(g取9.80

m/s2)砝碼質(zhì)量(g)50100150彈簧長(zhǎng)度(cm)8.627.636.66取下彈簧，將其一端固定于氣墊導(dǎo)軌左側(cè)，如圖(b)所示；調(diào)整導(dǎo)軌使滑塊自由滑動(dòng)時(shí)，通過兩個(gè)光電門的速度大小

．用滑塊壓縮彈簧，記錄彈簧的壓縮量x；釋放滑塊，記錄滑塊脫離彈簧后的速度v.釋放滑塊過程中，彈簧的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為

．(4)重復(fù)(3)中的操作，得到v與x的關(guān)系如圖(c)，由圖可知，v與x成

關(guān)系．由上述實(shí)驗(yàn)可得結(jié)論：對(duì)同一根彈簧，彈性勢(shì)能與彈簧的

成正比．|Δx|[解析]

(1)由

k＝

ΔF

＝0.1×9.80(8.62－6.66)×10－2N/m＝50

N/m；要調(diào)整氣墊導(dǎo)軌水平，使滑塊自由滑動(dòng)時(shí)，通過兩個(gè)光電門的速度相等；根據(jù)機(jī)械能守恒定律，釋放滑塊后，彈簧的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為滑塊的動(dòng)能；(4)由題圖可知，x

與v

成正比，即v＝kx，由E

＝E

＝1p

k

2mv2＝12

22mk

x

，因此彈簧的彈性勢(shì)能與彈簧的壓縮量的平方成正比．[答案]

(1)50 (2)相等

(3)滑塊的動(dòng)能

(4)正比 壓縮量的平方步驟c中小車所受的合外力為

．為驗(yàn)證從O→C過程中小車所受合外力做功與小車動(dòng)能變化的關(guān)系，測(cè)出BD間的距離為x0，OC間距離為x1，則C點(diǎn)的速度為

．需要驗(yàn)證的關(guān)系式為

(用所測(cè)物理量的符號(hào)表示)．[解析]

(1)小車沿木板勻速下滑，受力平衡，去掉輕繩和易拉罐后，小車所受合力等于易拉罐和細(xì)沙的總重力mg；C(2)v

＝2TBD

0x

x

f＝

2

，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理需驗(yàn)證合力做的功等于動(dòng)2C能的增量，即驗(yàn)證mgx1＝

Mv2

＝01

Mx2f28.[答案]

(1)mg

(2)x0f2mgx1＝

0

Mx2f28頻考一

對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和操作的考查1．用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)所用的電源為學(xué)生電源，輸出電壓為6

V的交流電和直流電兩種．重物從高處由靜止開始下落，重物上拖著的紙帶通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出一系列的點(diǎn)，對(duì)紙帶上的點(diǎn)的痕跡進(jìn)行測(cè)量，即能驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．下面列舉了該實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)操作步驟：A．按照?qǐng)D示的裝置安裝器材；

B．將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的直流輸出端上；

C．用天平測(cè)量出重物的質(zhì)量；

D．釋放懸掛紙帶的夾子，同時(shí)接通電源開關(guān)打出一條紙帶；E．測(cè)量打出的紙帶上某些點(diǎn)之間的距離；

F．根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算重物下落過程中減少的重力勢(shì)能是否等于增加的動(dòng)能．指出其中沒有必要進(jìn)行的或者操作不恰當(dāng)?shù)牟襟E，將其選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的字母填在下面的橫線上，并說明其原因：

.[解析]步驟B是錯(cuò)誤的，應(yīng)該接到電源的交流輸出端；步驟C不必要，因?yàn)楦鶕?jù)測(cè)量原理，重物的動(dòng)能和勢(shì)能中都包含了質(zhì)量m，可以約去；步驟D是錯(cuò)誤的，應(yīng)該先接通電源，待打點(diǎn)穩(wěn)定后再釋放紙帶．[答案]

見解析2．(2016·南寧模擬)用如圖甲所示的裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”．(1)下列物理量需要測(cè)量的是

，通過計(jì)算得到的是

(填寫代號(hào))．A．重錘質(zhì)量

B．重力加速度C．重錘下落的高度

D．與下落高度對(duì)應(yīng)的重錘的瞬時(shí)速度(2)設(shè)重錘質(zhì)量為m、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期為T、重力加速度為g.圖乙是實(shí)驗(yàn)得到的一條紙帶，A、B、C、D、E為相鄰的連續(xù)點(diǎn)．根據(jù)測(cè)得的s1、s2、s3、s4寫出重錘由B點(diǎn)到D點(diǎn)勢(shì)能減少量的表達(dá)式

，動(dòng)能增加量的表達(dá)式

．[解析]

(1)實(shí)驗(yàn)中需要直接測(cè)量的是重錘下落的高度，通過計(jì)算得到的是與下落高度相對(duì)應(yīng)的重錘的瞬時(shí)速度．(2)重錘重力勢(shì)能的減少量為mg(s3－s1)，Bv

＝s2D，v

＝s

－s4

22T

2T，12212故重錘動(dòng)能的增加量為

mv

－

mv2D

B2＝

m2T

21

s4－s2

12—

m

s2

2T＝ms4(s4－2s2)8T2[答案]

(1)C

D

(2)mg(s3－s1)ms4(s4－2s2)8T2頻考二

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與誤差分析3．(2016·開封市高三質(zhì)檢)為了探究恒力作用時(shí)的動(dòng)能定理，某同學(xué)做了如下實(shí)驗(yàn)，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(cè)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123456v/(m·s－1)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x－v圖象如圖甲所示．觀察該圖象，該同學(xué)作出如下推理：根據(jù)x－v圖象大致是一條拋物線，可以猜想，x可能與v2成正比．請(qǐng)?jiān)趫D乙所示坐標(biāo)紙上選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)軸作出圖線驗(yàn)證該同學(xué)的猜想．(2)根據(jù)你所作的圖象，你認(rèn)為滑塊滑行的最大距離x

與滑塊初速度平方

v2

的關(guān)系是

．[解析](1)作出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∝v24．(2016·河南中原名校模擬)某學(xué)習(xí)小組用如圖所示的氣墊導(dǎo)軌裝置來“探究牛頓第二定律”，由導(dǎo)軌標(biāo)尺可以測(cè)出兩個(gè)光電門之間的距離L＝25

cm，用光電門測(cè)出窄遮光板依次通過兩個(gè)光電門的時(shí)間分別為Δt1＝2×10－3

s，Δt2＝10－3

s，窄遮光板的寬度為d，滑塊和遮光板的質(zhì)量為M，沙和沙桶的質(zhì)量為m，且滿足m

M.(1)如圖所示．用游標(biāo)卡尺測(cè)出擋光板的寬度為d，則d＝

mm，此滑塊的加速度a＝

m/s(本空保留二位有效數(shù)字)．(2)該學(xué)習(xí)小組在測(cè)出滑塊的加速度后，經(jīng)分析討論，可用上述實(shí)驗(yàn)裝置來探究動(dòng)能定理，動(dòng)能定理的表達(dá)式為

(用題中所給物理量符號(hào)表示)．[解析](1)d＝1

mm＋0.05

mm×10＝1.50

mm.12Δt1

Δt2v

＝

d

＝0.75

m/s

v

＝

d

＝1.50m/s.由v2－v2＝2aL

可得滑塊的加速度a＝3.4m/s2.2

1(2)滿足?M的情況下，沙和沙桶重力做的功等于滑塊和遮光板的動(dòng)能增加量，即：12mgL＝

MΔt312—

M

d

d

Δt12[答案]

(1)1.