【步步高】2020年高考物理大一輪 實驗五 探究動能定理 新人教版必修2

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1、實驗五　探究動能定理 一、實驗?zāi)康? 1．通過實驗探究外力對物體做功與物體速度變化的關(guān)系． 2．通過分析實驗數(shù)據(jù)，總結(jié)出做功與物體速度的平方的正比例關(guān)系． 二、實驗原理 探究圖1 功與速度變化的關(guān)系，可通過改變力 對物體做的功，測出力對物體做不同的功 時物體的速度，為簡化實驗可將物體初速 度設(shè)置為零，可用圖1所示的裝置進行實 驗，通過增加橡皮筋的條數(shù)使橡皮筋對小 車做的功成倍增加，再通過打點計時器和紙帶來測量每次實驗后小車的末速度v. 三、實驗器材 小車(前面帶小鉤)、100 g～200 g砝碼、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

2、源及導線(使用電火花計時器則不用學生電源)、5～6條等長的橡皮筋、刻度尺． 四、實驗步驟 1．按如圖1所示將實驗儀器安裝好，同時平衡摩擦力． 2．先用一條橡皮筋做實驗，用打點計時器和紙帶測出小車獲得的速度v1，設(shè)此時橡皮筋對小車做的功為W1，將這一組數(shù)據(jù)記入表格． 3．用2條橡皮筋做實驗，實驗中橡皮筋拉伸的長度與第一次相同，這時橡皮筋對小車做的功為W2，測出小車獲得的速度v2，將數(shù)據(jù)記入表格． 4．用3條、4條……橡皮筋做實驗，用同樣的方法測出功和速度，記入表格． 五、數(shù)據(jù)處理 先對測量數(shù)據(jù)進行估計，或者作個W－v草圖，大致判斷兩個量可能是什么關(guān)系．如果認為可能是W∝v2，對于每

3、一個速度值算出它的二次方，然后以W為縱坐標、v2為橫坐標作圖，如果這樣作出來的圖象是一條直線，說明兩者關(guān)系真的就是W∝v2. 六、誤差分析 1．誤差的主要來源是橡皮筋的長度、粗細不一，使橡皮筋的拉力做功W與橡皮筋的條數(shù)不成正比． 2．沒有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力時傾角過大也會造成誤差． 3．利用打點的紙帶計算小車的速度時，測量不準會帶來誤差． 七、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j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

4、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(yīng)選規(guī)格一樣的．力對小車做的功以一條橡條筋做的功為單位即可，不必計算出具體數(shù)值．這是本實驗的技巧之一，這里通過轉(zhuǎn)換單位的方法巧妙地解決了這一難題，這也 是物理實驗中常用的一種思想和手段．(歷史上卡文迪許扭秤實驗和這里相似) 記憶口訣 一條皮筋單倍功，多條皮筋功倍增. 先開打點計時器，放開小車向前沖. 平衡摩擦是關(guān)鍵，每次車位不能變. 測量點子均勻處，保證小車是勻速. 作出圖象看關(guān)系，直線圖象是正比. 例1　關(guān)于“探究動能定理”的實驗中，下列敘述正確的是 (　　) A．每次實

5、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 D．先接通電源，再讓小車在橡皮筋的作用下彈出 特別提醒　1.不直接算W和v的數(shù)值，而只看第2次、第3次……實驗中的W和v是第1次的多少倍，這樣可簡化數(shù)據(jù)的測量和處理． 2．實驗中要通過傾斜木板平衡摩擦力，這與探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系中平衡摩擦力的方法是一樣的． 例2　某實驗小組采用如圖2甲所示的裝置探究功與速度變化的關(guān)系，小車在橡皮筋的作用下彈出后，沿木板滑行，打點計時器工作頻率為50 Hz. 　 甲　　　　　　　　　　　

6、 　乙 圖2 (1)實驗中木板略微傾斜，這樣做____________(填答案前的字母)． A．是為了釋放小車后，小車能勻加速下滑 B．是為了增大橡皮筋對小車的彈力 C．是為了使橡皮筋對小車做的功等于合外力對小車做的功 D．是為了使橡皮筋松馳后小車做勻加速運動 (2)若根據(jù)多次測量數(shù)據(jù)畫出的W－v草圖如圖乙所示，根據(jù)圖線形狀可知，對W與v的關(guān)系作出的以下猜想肯定不正確的是________． 　 A．W∝ B．W∝ C．W∝v2 D．W∝v3 圖3 例3　如圖3所示，是某研究性學習小組做探 究“橡皮筋做功和物體速

7、度變化的關(guān)系” 的實驗，圖中是小車在一條橡皮筋作用下 彈出，沿木板滑行的情形．這時，橡皮筋 對小車做的功記為W.當我們把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．小車每次實驗中獲得的速度由打點計時器所打點的紙帶測出． (1)除了圖中的已給出的實驗器材外，還需要的器材有___________________________ __________________________________________________________________________； (2)實驗時為了使小車只在橡皮筋作用下運動

8、，應(yīng)采取的措施是_____________________； (3)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(yīng)選用紙帶的________部分進行測量； (4)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(yīng)的位置； 數(shù)據(jù) 物理量 橡皮筋 做的功 10個間 距的距 離x(m) 10個間 距的時 間T(s) 小車獲 得的速 度vn 小車速 度的平 方v 1 W 0.200 0.2 2 0.280 0.2 3 0.300 0.2 4

9、0.400 0.2 5 0.450 0.2 (5)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(yīng)是Wn∝________，請你根據(jù)表中測定的數(shù)據(jù)在如圖4所示的坐標系中作出相應(yīng)的圖象驗證理論的正確性． 圖4 (6)若在實驗中你作出的圖線與理論的推測不完全一致，你處理這種情況的做法是____________________________________． 　　　　　　　　　16.創(chuàng)新探究性實驗的解題方法 例4　某興趣小組想通過物塊在斜面上運動的實驗探究“合外力做功和物體速度變化的關(guān)系”．實驗開始前，他們提出了以下幾種猜想：①W∝ ，②W∝v，③W

10、∝v2.他們的實驗裝置如圖5甲所示，PQ為一塊傾斜放置的木板，在Q處固定一個速度傳感器(用來測量物體每次通過Q點時的速度)，每次實驗，物體從不同初始位置處由靜止釋放． 　 圖5 同學們設(shè)計了以下表格來記錄實驗數(shù)據(jù)．其中L1、L2、L3、L4…代表物體分別從不同初始位置處無初速釋放時初始位置到速度傳感器的距離，v1、v2、v3、v4…表示物體每次通過Q點的速度. 實驗次數(shù) 1 2 3 4 … L L1 L2 L3 L4 … v v1 v2 v3 v4 … 他們根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制了如圖乙所示的L－v圖象，并得出結(jié)論W∝v2.他們的做法是否合適，你有什么好的

11、建議？ 在此實驗中，木板與物體間摩擦力的大小________(填“會”或“不會”)影響探究出的結(jié)果． 方法提煉　縱觀近幾年各地高考試題，創(chuàng)新探究型實驗試題正成為高考試題的主流題型，這也正是新課標精神在高考中的具體表現(xiàn)．創(chuàng)新探究型實驗的特點是：利用課本實驗的儀器、思想和方法來完成不同于課本的實驗?zāi)康?，如利用牛頓第二定律的裝置來完成探究動能定理的實驗，有些試題中可能會出現(xiàn)新的實驗器材，但這些器材也是在教材上出現(xiàn)的，例如光電門、氣墊導軌、力傳感器等，無論是應(yīng)用什么樣的實驗器材，實驗的思想和方法都來源于課本實驗，是課本實驗思想和方法的遷移應(yīng)用． 解決創(chuàng)新探究實驗試題的基礎(chǔ)是熟練掌握考試說明

12、要求的物理實驗，重點是基本實驗器 材的使用方法和實驗中體現(xiàn)的物理思想，例如平衡摩擦力的方法、用重力代替拉力的方 法、控制變量的方法、累積法測量微小量的方法、圖象探究物理量關(guān)系的方法、微小量 放大測量的方法、平均值減小誤差的方法等等．解決創(chuàng)新探究實驗試題的關(guān)鍵是能將學 過的實驗知識和方法在不同的情境下遷移應(yīng)用，這對同學的綜合分析問題并能運用所學 知識解決問題的能力提出了較高的要求. 1．用如圖6所示的裝置做“探究動能定理”的實驗 時，下列說法正確的是 (　　) 圖6 A．為了平衡摩擦力，實驗中可以將長木板的左

13、端適當墊高，使小車拉著穿過打點計時器的 紙帶自由下滑時能保持勻速運動 B．每次實驗中橡皮筋的規(guī)格要相同，拉伸的長度要一樣 C．可以通過改變橡皮筋的條數(shù)來改變拉力做功的數(shù)值 D．可以通過改變小車的質(zhì)量來改變拉力做功的數(shù)值 E．實驗中要先釋放小車再接通打點計時器的電源 F．通過打點計時器打下的紙帶來測定小車加速過程中獲得的最大速度 G．通過打點計時器打下的紙帶來測定小車加速過程中獲得的平均速度 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(guān)系，實驗裝置如圖7所示，實驗主要 過程如下： 圖7 (1)設(shè)法讓橡皮筋對小車做的功分別為W、2W、 3W、…

14、； (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圖象．如果W－v圖象是一條直線，表明W∝v；如果不是直線，可考慮是否存在W∝v2、W∝v3、W∝等關(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、3W、… B．小車運動中會受

15、到阻力，補償?shù)姆椒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 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(guān)系，采用了如圖8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． 圖8 (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(yīng)該采取的兩項措施是____________和_________

16、_________． (2)如圖9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)點間的距離已在圖中標出，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) 圖9 圖10 4. 某實驗小組利用拉力傳感器和速度傳感器探究 “動能定理”．如圖10所示，他們將拉力傳感器 固定在小車上，用不可伸長的細線將其通過一個 定滑輪與鉤碼相連，用拉力傳感器記錄小車受到拉

17、力的大?。谒阶烂嫔舷嗑?0.0 cm 的A、B兩點各安裝一個速度傳感器，記錄小車通過A、B時的速度大小．小車中可以放置砝碼． (1)實驗主要步驟如下： ①測量__________和拉力傳感器的總質(zhì)量M1；把細線的一端固定在拉力傳感器上，另一端通過定滑輪與鉤碼相連；正確連接所需電路． ②將小車停在C點，__________，小車在細線拉動下運動，記錄細線拉力及小車通過A、B時的速度． ③在小車中增加砝碼，或____________，重復②的操作． (2)下面的表格中是他們測得的幾組數(shù)據(jù)，其中M是M1與小車中砝碼質(zhì)量之和，|v－v| 是兩個速度傳感器記錄速度的平方差，可以據(jù)此計算

18、出動能變化量ΔE，F(xiàn)是拉力傳感器受到的拉力，W是F在A、B間所做的功．表格中ΔE3＝______，W3＝__________.(結(jié)果保留三位有效數(shù)字) 次數(shù) M/kg |v－v| /(m/s)2 ΔE/J F/N W/J 1 0.500 0.760 0.190 0.400 0.200 2 0.500 1.65 0.413 0.840 0.420 3 0.500 2.40 ΔE3 1.220 W3 4 1.000 2.40 1.20 2.420 1.21 5 1.000 2.84 1.42 2.860 1.43 (3

19、)根據(jù)表格，請在圖11中的方格紙上作出ΔE－W圖線． 圖11 答案 課堂探究 例1　D　[實驗中沒有必要測出橡皮筋做功的具體數(shù)值，只要測出后來各次橡皮筋做的功是第一次的多少倍即可，A錯誤；為了使以后各次實驗中橡皮筋做的功是第一次實驗時的整數(shù)倍，必須使每次實驗中橡皮筋拉伸的長度保持一致，B錯誤；為減小誤差，實驗中應(yīng)使木板傾斜以平衡摩擦力，C錯誤；實驗中應(yīng)先接通電源，然后再放開小車，D正確．] 例2　(1)C　(2)AB 例3　(1)刻度尺　(2)把木板的末端墊起適當高度以平衡摩擦力　(3)點距均勻　(4)2W、3W、4W、5W　(5)v　圖象見解析圖　(6)分析誤差來源，改進實驗方案或測量手段，重新進行實驗 例4　不合適，應(yīng)進一步繪制L－v2圖象　不會 隨堂訓練 1．ABCF　2.D 3．(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(Δx2＋Δx3＋Δx4) M()2－M()2 4．(1)①小車、砝碼　 ②釋放小車?、蹨p少砝碼　(2)0.600　0.610　(3)如圖所示