【物理】2018届一轮复习人教版 实验五 探究动能定理 学案

【物理】2018届一轮复习人教版 实验五 探究动能定理 学案

实验五　探究动能定理 一、实验目的 探究外力对物体做功与物体速度变化的关系，通过实验数据分析，总结出做功与物体速度二次方的正比关系．‎ 二、实验器材 小车(前面带小钩)、100～200 g的砝码、长木板(两侧适当的对称位置钉两个铁钉)、________及纸带、低压交流电源及导线(使用电火花计时器时用220 V交流电源)、5～6条相同的________、毫米刻度尺．‎ Ø 考点互动探究 ‎　 考点一　实验原理和实验操作 ‎1 探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系，实验装置如图S51所示．实验过程中有平衡摩擦力的步骤，并且设法让橡皮筋对小车做的功以整数倍增大，即分别为W0、2W0、3W0、4W0……实验中首先通过调整木板倾斜程度以平衡摩擦力，目的是________(填写字母代号)．‎ 图S51‎ A．为了释放小车后小车能做匀加速运动 B．为了增大橡皮筋对小车的弹力 C．为了使橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功 D．为了使小车获得较大的动能 式题 [2015·山西晋城三模] 探究“功与物体速度变化的关系”的实验装置如图S52所示，以下说法不正确的是(　　)‎ 图S52‎ A．在改变橡皮筋的条数时，橡皮筋伸长的长度必须一致 B．根据记录纸带上打出的点，求小车获得的速度的方法，是用纸带上第一点到最后一点的距离进行计算 C．某同学在一次实验中，得到一条记录纸带，纸带上打出的点，两端密，中间疏，出现这种情况的原因，可能是没有使木板倾斜或倾角太小 D．本实验的目的是探究橡皮筋对小车做的功与小车的速度之间存在的关系 ‎■ 注意事项 本实验中对小车做的功应该为合力做的功，实验中采用将木板倾斜的方法，使重力对小车做的功抵消摩擦力对小车做的功，则橡皮筋对小车的拉力做的功即合力对小车做的功；判断摩擦力是否被平衡的方法是轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否做匀速运动．‎ ‎　 考点二　数据处理与误差分析 ‎2 [2016·银川一中模拟] 某同学利用如图S53所示的装置探究功与速度变化的关系．‎ 图S53‎ A．小物块在橡皮筋的作用下弹出，沿水平桌面滑行，之后平抛落至水平地面上，落点记为M1；‎ B．在钉子上分别套上2条、3条、4条……同样的橡皮筋，使每次橡皮筋拉伸的长度都保持一致，重复步骤(1)，小物块落点分别记为M2、M3、M4……‎ C．测量相关数据，进行数据处理．‎ ‎(1)为求出小物块抛出时的动能，需要测量下列物理量中的________(填正确答案标号)．‎ A．小物块的质量m B．橡皮筋的原长x C．橡皮筋的伸长量Δx D．桌面到地面的高度h E．小物块抛出点到落地点的水平距离L ‎(2)将几次实验中橡皮筋对小物块做的功分别记为W1、W2、W3……小物块抛出点到落地点的水平距离分别记为L1、L2、L3……若功与速度的平方成正比，则应以W为纵坐标、________为横坐标作图，才能得到一条直线．‎ ‎(3)若小物块与桌面之间的摩擦不能忽略，则由此引起的误差属于________(选填“偶然误差”或“系统误差”)．‎ 式题 如图S54所示是某研究性学习小组的同学做“探究橡皮筋做功和物体速度变化的关系”的实验装置，图中是小车在一条橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行的情形．这时，橡皮筋对小车做的功记为W.当用2条、3条、…、n条完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、…、第n次实验时，每次橡皮筋都被拉伸到同一位置释放．小车每次实验中获得的速度可以由打点计时器所打的纸带测出，图S55为某次实验中打出的纸带．‎ 图S54‎ 图S55‎ ‎(1)每次实验得到的纸带上的点分布并不都是均匀的，为了测量小车最终获得的末速度，应选用纸带的________部分进行测量．‎ ‎(2)下面是本实验的数据记录及数据处理表.‎ 数据实验次数物理量 橡皮筋做的功Wn(J)‎ ‎10个间隔均匀的点的距离s(m)‎ ‎10个间隔均匀的点的时间T(s)‎ 小车获得的末速度vn(m/s)‎ 小车获得的末速度的平方v(m2/s2)‎ ‎1‎ W1＝W ‎0.200‎ ‎0.2‎ ‎1.00‎ ‎1.00‎ ‎2‎ W2＝2W ‎0.282‎ ‎0.2‎ ‎1.41‎ ‎1.99‎ ‎3‎ W3＝3W ‎0.300‎ ‎0.2‎ ‎1.50‎ ‎2.25‎ ‎4‎ W4＝4W ‎0.400‎ ‎0.2‎ ‎2.00‎ ‎4.00‎ ‎5‎ W5＝5W ‎0.448‎ ‎0.2‎ ‎2.24‎ ‎5.02‎ 从理论上讲，橡皮筋做的功Wn与小车获得的末速度vn之间的关系是Wn∝________，请你运用表中的数据在如图S56所示的坐标系中作出相应的图像，以验证理论的正确性．‎ 图S56‎ ‎　 考点三　实验拓展与实验创新 ‎3 [2016·长沙模拟] 图S57是某小组验证动能定理的实验装置，在滑块上安装一遮光条与拉力传感器，把滑块放在水平气垫导轨上，通过跨过定滑轮的细绳与钩码相连，光电门安装在B处．测得滑块(含遮光条和拉力传感器)质量为M、钩码的总质量为m、遮光条的宽度为d，当地的重力加速度为g.当气垫导轨充气后，将滑块在图示A位置由静止释放后，拉力传感器记录的读数为F，光电门记录的时间为Δt.‎ 图S57‎ ‎(1)实验中是否要求钩码总质量m远小于滑块质量M？________(选填“是”或“否”)；‎ ‎(2)测得A、B之间的距离为L，则验证动能定理的表达式为________(用以上对应物理量的符号表示)；‎ ‎(3)为减小实验误差，可采取的方法是(　　)‎ A．增大A、B之间的距离 B．减小钩码的总质量 C．增大滑块的质量 D．减小遮光条的宽度 式题 [2016·全国卷Ⅱ] 某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图S58所示：轻弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打点计时器并与物块连接．向左推物块使弹簧压缩一段距离，由静止释放物块，通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能．‎ 图S58‎ ‎(1)实验中涉及下列操作步骤：‎ ‎①把纸带向左拉直 ‎②松手释放物块 ‎③接通打点计时器电源 ‎④向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量 上述步骤正确的操作顺序是________(填入代表步骤的序号)．‎ ‎(2)图S59中M和L纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打点结果．打点计时器所用交流电的频率为50 Hz.由M纸带所给的数据，可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为____________ m/s.比较两纸带可知，________(选填“M”或“L”)纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大．‎ 图S59‎ Ø 课时巩固训练 ‎1．为了探究功与物体速度变化的关系，现提供如图S510所示的器材，请思考探究思路并回答下列问题：‎ 图S510‎ ‎(1)为了消除摩擦力的影响，应采取的措施：_______________________________________.‎ ‎(2)在某次实验中某同学得到了如图S511所示的一条纸带，在B、C、D三个计数点中应该选用________(选填“B”“C”或“D”)点的速度才符合实验要求，因为__________________.‎ 图S511‎ ‎(3)本实验选用的纸带有明显的误差，这是由于__________________．‎ ‎2．某学习小组利用如图S512所示的装置验证动能定理．‎ 图S512‎ ‎(1)将气垫导轨调至水平，安装好实验器材，从图中读出两光电门中心之间的距离s＝________ cm；‎ ‎(2)测量挡光条的宽度d，记录挡光条通过光电门1和2所用的时间Δt1和Δt2，并从拉力传感器中读出滑块受到的拉力F，为了完成实验，还需要直接测量的一个物理量是________；‎ ‎ (3)该实验是否需要满足砝码盘和砝码的总质量远小于滑块、挡光条和拉力传感器的总质量？________(选填“是”或“否”)．‎ ‎3．[2016·广州模拟] 用如图S513所示的实验装置完成“探究动能定理”实验．‎ 图S513‎ 请补充完整下列实验步骤的相关内容：‎ ‎(1)用天平测量小车和遮光片的总质量M、砝码盘的质量m0；用游标卡尺测量遮光片的宽度d，游标卡尺的示数如图S514所示，其读数为________cm；按图S513所示安装好实验装置，用米尺测量两光电门之间的距离s；‎ 图S514‎ ‎(2)在砝码盘中放入适量砝码；适当调节长木板的倾角，直到轻推小车，遮光片先后经过光电门A和光电门B的时间相等；‎ ‎(3)取下细线和砝码盘，记下__________________(填写相应物理量及其符号)；‎ ‎(4)让小车从靠近滑轮处由静止释放，用数字毫秒计分别测出遮光片经过光电门A和光电门B所用的时间ΔtA和ΔtB；‎ ‎(5)步骤(4)中，小车从光电门A下滑至光电门B过程合外力做的总功W合＝________，小车动能变化量ΔEk＝________，比较W合和ΔEk的值，找出两者之间的关系．(用上述步骤中的物理量表示，重力加速度为g)‎ ‎(6)重新挂上细线和砝码盘，改变砝码盘中砝码质量，重复(2)～(5)步骤．‎ ‎(7)本实验中，以下操作或要求是为了减小实验误差的是________．‎ A．尽量减小两光电门间的距离s B．调整滑轮，使细线与长木板平行 C．砝码和砝码盘的总质量远小于小车和遮光片的质量 ‎4．[2016·“江南十校”高三联考] 某实验小组利用如图S515所示装置进行“探究动能定理”的实验，实验步骤如下：‎ 图S515‎ A．挂上钩码，调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速运动；‎ B．打开速度传感器，取下轻绳和钩码，保持A 中调节好的长木板倾角不变，让小车从长木板顶端由静止下滑，分别记录小车通过速度传感器1和速度传感器2时的速度大小v1和v2；‎ C．重新挂上细绳和钩码，改变钩码的个数，重复A到B的步骤．‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)按上述方案做实验，长木板表面粗糙对实验结果是否有影响？________(选填“是”或“否”)；‎ ‎(2)若要验证动能定理的表达式，还需测量的物理量有________；‎ A．悬挂钩码的总质量m B．长木板的倾角θ C．两传感器间的距离l D．小车的质量M ‎(3)根据实验所测的物理量，动能定理的表达式为：________．(重力加速度为g)‎ ‎5．[2016·合肥教学质量检测] 某实验小组要探究力对物体做功与物体获得速度的关系，选取的实验装置如图S516所示．‎ 图S516‎ ‎(1)除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、刻度尺和________(选填“交流”或“直流”)电源．‎ ‎(2)实验主要步骤如下：‎ ‎①实验时，为使小车所受合力等于橡皮筋的拉力，在未连接橡皮筋前将木板的左端用小木块垫起，使木板倾斜合适的角度，启动电源，轻推小车，得到的纸带应该是________(选填“甲”或“乙”)；‎ 图S517‎ ‎②小车在一条橡皮筋的作用下由静止弹出，沿木板运动，此过程橡皮筋对小车做的功为W；‎ ‎③再分别改用完全相同的2条、3条……橡皮筋作用于小车，每次由静止释放小车时橡皮筋的________________(填写相应实验条件)，使橡皮筋对小车做的功分别为2W、3W……‎ ‎④分析打点计时器打出的纸带，分别求出小车每次获得的最大速度v1、v2、v3……图S518是实验中打出的一条纸带，为了测量小车获得的最大速度，应选用纸带的________部分进行测量；‎ 图S518‎ ‎⑤作出Wv图像，则下列符合实验事实的图像是________．‎ 图S519‎ ‎ (3)若该小组实验时遗忘了上述步骤①操作的情况下也完成了整个实验，那么当小车速度最大时，橡皮筋处于________(选填“伸长”或“原长”)状态．‎ 实验五　探究动能定理 ‎【实验器材】‎ 打点计时器　橡皮筋 ‎【考点互动探究】‎ 考点一 例1　C　[解析] 调整木板的倾斜程度，使重力做的正功和摩擦力做的负功恰好互相抵消，则橡皮筋对小车做的功就是合外力对小车做的功，选项C正确．‎ 变式题　B　[解析] 为了保证每条橡皮筋对小车做功相同，每次实验中，橡皮筋拉伸的长度必须要保持一致，选项A正确；本实验中小车先加速运动后匀速运动，所以利用纸带上点迹均匀的部分求出匀速运动的速度，选项B错误；实验中如果没有平衡摩擦力或没有使木板倾斜或倾角太小，则会在小车获得最大速度后由于摩擦阻力影响导致速度减小，出现“两端密、中间疏”现象，选项C正确；本实验的目的是探究橡皮筋对小车做的功与小车的速度之间存在的关系，选项D正确．‎ 考点二 例2　(1)ADE　(2)L2　(3)系统误差 ‎[解析] (1)小物块离开桌面后做平抛运动，根据桌面到地面的高度h＝gt2，可计算出平抛运动的时间，再根据小物块抛出点到落地点的水平距离L＝vt，可计算出小物块离开桌面时的速度，根据动能的表达式Ek＝mv2，还需要知道小物块的质量．‎ ‎(2)根据h＝gt2和L＝vt，可得v2＝L2，因为功与速度的平方成正比，所以功与L2‎ 成正比，故应以W为纵坐标、L2为横坐标作图，才能得到一条直线．‎ ‎(3)由于仪器本身不精确，或实验方法粗略，或实验原理不完善而产生的误差属于系统误差．实验中由于小物块与桌面之间的摩擦不能忽略而引起的误差属于系统误差．‎ 变式题　(1)每相邻两点之间距离相等(或点迹分布均匀)‎ ‎(2)v　图像如图所示 ‎[解析] (1)小车最终做匀速运动，因此应选用每相邻两计数点间隔相等的部分．‎ ‎(2)根据动能定理可知，从理论上讲，橡皮筋做的功Wn与小车获得的速度vn之间的关系是Wn∝v；以Wn为纵坐标，以v为横坐标，用描点法作图，图像是过原点的直线，说明Wn∝v.‎ 考点三 例3　(1)否　(2)FL＝M2　(3)AD ‎[解析] (1)滑块受到的拉力直接通过传感器测量，与小车和钩码质量大小关系无关，故不需要钩码总质量m远小于滑块质量M；‎ ‎(2)由于遮光条的宽度很小，通过光电门的时间很短，遮光条通过光电门的平均速度可以表示瞬时速度，则滑块通过B点的瞬时速度v＝，动能的增加量ΔEk＝Mv2＝M2，拉力对滑块做功W＝FL，所以本实验中探究的表达式为FL＝M2；‎ ‎(3)由FL＝M2可知，实验误差主要来自长度的测量和速度的测量，因此增大A、B之间的距离L或减小遮光条的宽度d可减小实验误差．‎ 变式题　(1)④①③②　(2)1.29　M ‎[解析] (2)脱离弹簧后物块应该做匀速直线运动，则v＝×10－2 m/s＝1.29 m/s.‎ 由能量守恒定律可知，物块脱离弹簧时动能越大，则弹簧被压缩时的弹性势能越大，故EpM>EpL.‎ ‎【教师备用习题】‎ ‎1．某兴趣小组在做“探究做功和物体速度变化关系”的实验前，提出以下几种猜想：①W∝v，②W∝v2，③W∝……他们的实验装置如图甲所示，PQ为一块倾斜放置的木板，在Q处固定一个速度传感器(用来测量物体每次通过Q点的速度)．在刚开始实验时，有位同学提出，不需要测出物体质量，只要测出物体的初始位置到速度传感器的距离和读出速度传感器的示数就行了，大家经过讨论采纳了该同学的建议．‎ ‎(1)本实验中不需要测量物体质量的理由是_______________________________________.‎ ‎ (2)让物体分别从不同高度无初速度释放，测出物体的初始位置到速度传感器的距离L1、L2、L3、L4……读出物体每次通过速度传感器Q的速度v1、v2、v3、v4……并绘制了如图乙所示的Lv图像．根据绘制出的Lv图像，若为了更直观地看出L和v的变化关系，他们下一步应该作出(　　)‎ A．Lv2图像 B．L图像 C．L图像 D．L图像 ‎[答案] (1)略　(2)A ‎[解析] (1)因为W＝ΔEk，而W＝mg(sin θ－μcos θ)L，ΔEk＝mv2，等式两边都有m，所以探究W与v的关系可以不用测量质量m；‎ ‎(2)由于题图乙是关于“Lv”的图像，该图像为曲线，不便于直观地看出L和v的变化关系．所以，下一步应作出Lv2的图像，选项A正确．‎ ‎2．某同学在实验室用如图所示的装置来研究有关做功的问题．‎ ‎(1)如图甲所示，在保持M≫m条件下，可以认为绳对小车的拉力近似等于沙和沙桶的总重力，在控制小车的质量不变的情况下进行实验．在实验中，该同学先接通打点计时器的电源，再放开纸带，已知交流电的频率为50 Hz.图乙是在m＝100 g、M＝1 kg情况下打出的一条纸带：O为起点，A、B、C为过程中的三个相邻的计数点，相邻的计数点之间有四个点没有标出，有关数据如图乙所示，则打B点时小车的动能为________ J，从开始运动到打下B点时，绳的拉力对小车做的功W＝________ J．(结果均保留2位有效数字，g取9.8 m/s2)‎ ‎(2)在第(1)问中绳的拉力对小车做的功W大于小车获得的动能Ek，请你举出导致这一结果的主要原因______________________________________________________________.(写出一种即可)‎ ‎[答案] (1)0.50　0.51　(2)略 ‎[解析] (1)vB＝＝0.998 m/s，小车在B点的动能EkB＝Mv≈0.50 J，拉力对小车做功W＝FxOB＝mgxOB≈0.51 J；‎ ‎(2)拉力对小车做的功W大于小车获得的动能Ek的原因可能是实验过程中没有平衡摩擦力或平衡摩擦力时长木板倾角过小，或运动过程中受到的空气阻力及纸带受到打点计时器的摩擦力过大，或沙与沙桶的重力大于绳的拉力，或打点计时器所用的电源频率不稳定．‎ ‎3．[2016·湖北七州联考] 某实验小组采用如图甲所示的装置来探究“功与速度变化的关系”．实验中，小车经过光电门时，钩码尚未到达地面．‎ ‎(1)实验步骤如下：‎ 第一步：用螺旋测微器测得挡光片的宽度d，如图乙所示，则d＝________mm.‎ 第二步：把挡光片固定在小车上，把小车放到轨道上，用细线一端与小车连接，另一端跨过定滑轮挂上砝码盘．‎ 第三步：保持轨道水平，在砝码盘里放适量砝码，让小车由静止开始做匀加速运动．测出光电门距离挡光片前端的距离x，释放小车后，记录光电门的挡光时间t.‎ 第四步：小车仍从同一点由静止释放，仅移动光电门，改变x，多次实验并记录数据．‎ 第五步：关闭电源，通过分析小车位移与速度变化的关系来研究合外力做功与速度变化的关系．‎ ‎(2)实验中，该小组同学通过研究小车位移x与挡光时间t的关系从而得到合外力做功与速度变化的关系，为了使图像呈线性关系，该组同学应作________(填序号)图像．‎ A．xt B．x C．xt2 D．x ‎[解析] (1)5.696(5.694～5.698均可)　(2)D ‎[解析] (1)根据螺旋测微器的读数规则，挡光片的宽度d＝5.5 mm＋0.196 mm＝5.696 mm.‎ ‎(2)由动能定理得mgx＝mv2，又v＝，解得x＝·.为了使图像呈线性关系，该组同学应该作x图像，选项D正确．‎ ‎【课时巩固训练】‎ ‎1．(1)将木板靠近打点计时器的一端适当垫高 ‎(2)C　打C点时的速度为小车运动的最大速度，此时橡皮筋的弹性势能完全释放，橡皮筋对小车的拉力做功结束 ‎(3)没有平衡摩擦力或摩擦力没有被完全平衡 ‎[解析] (1)本实验应满足橡皮筋对小车的拉力等于小车受到的合力，所以实验前应用木块将木板靠近打点计时器的一端适当垫高，使小车在不受拉力时能沿木板匀速运动，以消除摩擦力对实验的影响；‎ ‎(2)本实验的目的是探究橡皮筋拉力对小车做的功与小车速度变化的关系，应测量橡皮筋的拉力做功后即橡皮筋的弹性势能完全释放完毕时小车的最大速度，选用小车匀速运动段(计数点均匀的部分)，即应计算小车经过C点时的速度．‎ ‎(3)“探究功与物体速度变化的关系”的实验中，打点计时器打出的纸带应该先逐渐变疏后均匀不变，本实验给出的打点纸带有明显的误差，这是由于没有平衡摩擦力或摩擦力没有被完全平衡．‎ ‎2．(1)50.00　(2)滑块、挡光条和拉力传感器的总质量　(3)否 ‎[解析] (1)两光电门中心之间的距离s＝70.30 cm－20.30 cm＝50.00 cm.‎ ‎(2)由于该实验验证的是动能定理，故还需要知道滑块、挡光条和拉力传感器的总质量．‎ ‎(3)由于拉力可以通过拉力传感器的读数直接得到，故不需要满足砝码盘和砝码的总质量远小于滑块、挡光条和拉力传感器的总质量．‎ ‎3．(1)0.520　(3)砝码盘中砝码的总质量m ‎ (5)(m＋m0)gs　M2－M2　(7)B ‎[解析] (1)由于游标卡尺是20分度，所测物体的长度应是主尺读数与游标尺读数之和，即5 mm＋4×0.05 mm＝5.20 mm＝0.520 cm.‎ ‎(3)在砝码盘中放入适量砝码，适当调节长木板的倾角，直到轻推小车，遮光片先后经过光电门A和光电门B的时间相等，这一步目的是使取下细线和砝码盘后小车运动所受合外力等于砝码和砝码盘的重力(m＋m0)g，所以当取下细线和砝码盘时，记下砝码盘中砝码的总质量m.‎ ‎(5)小车从光电门A下滑至光电门B过程中合外力做的总功W合＝(m＋m0)gs，小车动能变化量ΔEk＝M2－M2，比较W合和ΔEk的值，找出两者之间的关系．‎ ‎(7)尽量减小两光电门间的距离s，会增大误差，选项A错误；调整滑轮，使细线与长木板平行，这样细线拉力等于小车加速运动时受到的合外力，有利于减小误差，选项B正确；本实验没有用砝码盘和盘中砝码的总重力代替绳子的拉力，不需要满足砝码和砖码盘的总质量远小于小车和遮光片的总质量．‎ ‎4．(1)否　(2)ACD　(3)mgl＝M(v－v)‎ ‎[解析] 小车在重力、斜面弹力、摩擦力、细线拉力作用下处于平衡状态，撤去钩码后小车所受的合外力等于钩码的重力，所以长木板表面粗糙对实验结果没有影响．由动能定理，有mgl＝Mv－Mv，可知需要测量悬挂钩码的总质量m、两传感器间的距离l、小车的质量M.‎ ‎5．(1)交流　(2)①乙　③伸长量(或形变量、长度)都相同　④GK　⑤D　(3)伸长 ‎[解析] (1)打点计时器需要使用交流电源．‎ ‎(2)①为使小车所受合力等于橡皮筋的拉力，需要平衡摩擦力，确保这一条件成立的标准是使小车不受拉力作用时可沿木板匀速下滑，故得到的纸带应为乙纸带．③为使橡皮筋对小车做功成比例增加，必须确保小车由静止释放，橡皮筋的形变量均相同．④为测量小车的最大速度，需要测量纸带上点迹间距最大且均匀的部分，所以应选择GK部分进行测量．⑤由于合外力对小车做功与小车速度的二次方成正比，故Wv的图像应为抛物线，D项正确．‎ ‎(3)未平衡摩擦力时，当橡皮筋拉力等于小车所受摩擦力时，小车速度最大，此时橡皮筋处于伸长状态．‎