验证动能定理

验证动能定理
一、实验目的
1、验证动能定理。

二、实验原理
1、W
总=
1
2
mv 2
2
－
1
2
mv 2
1
2、W
总=F
合
Scosα，其中小车位移可从纸带上直接得到，作用在小车上的合
力，可通过两个“替代”关系使小车所受的合力转化为悬挂物的重力。

（1）平衡摩擦力——用小车所受的拉力替代合力
小车受力为重力、拉力、阻力、支持力，平衡摩擦力后，使重力、阻力和支持力的合力为零，则小车所受的拉力等于小车的合力。

不用重复平衡摩擦力，一次即可。

（2）小车质量(M)远大于悬挂物质量(m)——用悬挂物重力替代小车所受的拉力
3、可根据匀变速直线运动某段时间内的平均速度等于该段时间中间时刻的
瞬时速度v n＝x
n
＋x n＋1
2T
来计算小车的速度．
三、实验步骤
1.用天平测出小车的质量和小盘中砝码的质量,分别为M、m
,并把数值记录下来。

2.按图示将实验器材安装好。

3.在长木板无滑轮的一端下面垫一薄木板,以平衡摩擦力。

4.将小盘通过细绳系在小车上,接通电源放开小车,用纸带记录小车的运动情况。

5、重复实验，选一条点迹清晰的纸带分析。

四、数据处理
1、根据匀变速直线运动某段时间内的平均速度等于该段时间中间时刻的瞬
时速度v n＝x
n
＋x n＋1
2T
来计算小车的速度，从而得出动能的变化量，测量纸带上两
点的距离，计算拉力在此过程中对小车做的功。

2、比较该过程中拉力做的功W和物体动能变化的数值。

五、误差分析
1、偶然误差：主要由质量的测量、计数点间距测量引起，可通过多次测量取平均值减小误差
2、系统误差
（1）平衡摩擦力不准造成的误差
（2）由于不满足M≫m引起的误差
六、实验创新
题型示例：
1、(2019·高考江苏卷)某兴趣小组用如图1所示的装置验证动能定理．
(1)有两种工作频率均为50 Hz的打点计时器供实验选用：
A．电磁打点计时器
B．电火花打点计时器
为使纸带在运动时受到的阻力较小，应选择______(选填“A”或“B”)．
(2)保持长木板水平，将纸带固定在小车后端，纸带穿过打点计时器的限位孔．实验中，为消除摩擦力的影响，在砝码盘中慢慢加入沙子，直到小车开始运动．同学甲认为此时摩擦力的影响已得到消除．同学乙认为还应从盘中取出适量沙子，直至轻推小车观察到小车做匀速运动．看法正确的同学是_____(选填“甲”或“乙”)．
(3)消除摩擦力的影响后，在砝码盘中加入砝码．接通打点计时器电源，松开小车，小车运动．纸带被打出一系列点，其中的一段如图2所示．图中纸带按实际尺寸画出，纸带上B点的速度v B＝______m/s.
(4)测出小车的质量为M，再测出纸带上起点到A点的距离为L.小车动能的
变化量可用ΔE k＝1
2
Mv2算出．砝码盘中砝码的质量为m，重力加速度为g.实验中，
小车的质量应______(选填“远大于”“远小于”或“接近”)砝码、砝码盘和沙子的总质量，小车所受合力做的功可用W＝mgL算出．多次测量，若W与ΔE k均基本相等则验证了动能定理．
2、某实验小组采用如图(甲)所示的装置探究功与速度变化的关系.
(1)下列叙述正确的是.
A.每次实验必须设法算出橡皮筋对小车做功的具体数值
B.每次实验中,橡皮筋拉伸的长度没有必要保持一致
C.放小车的长木板应该尽量使其水平
D.先接通电源,再让小车在橡皮筋的作用下弹出
(2)实验中,某同学得到了一条如图(乙)所示的纸带.这条纸带上的点距并不均匀,下列说法正确的是.
A.纸带的左端是与小车相连的
B.纸带的右端是与小车相连的
C.利用E,F,G,H,I,J这些点之间的距离来确定小车的速度
D.利用A,B,C,D这些点之间的距离来确定小车的速度
(3)实验中木板略微倾斜,这样做.
A.是为了释放小车后,小车能匀加速下滑
B.是为了增大小车下滑的加速度
C.可使得橡皮筋做的功等于合力对小车做的功
D.可使得橡皮筋松弛后小车做匀速运动
(4)若根据多次测量数据画出的W-v图象如图(丙)所示,根据图线形状,可知对W与v的关系符合实际的是图(丙)中的.
3、如图所示的装置,可用于探究恒力做功与动能变化的关系.水平轨道上安装两个光电门,光电门1和光电门2的中心距离为s,光电门的宽度为d.滑块(含力传感器和宽度很小的挡光片)质量为M.细线一端与力传感器连接,另一端跨过定滑轮挂上砝码盘.实验步骤如下:
①先保持轨道水平,通过调整砝码盘里砝码的质量来平衡摩擦力,当滑块做匀速运动时传感器示数为F
.
②增加砝码质量,使滑块加速运动,记录传感器示数.
请回答:
(1)该实验(选填“需要”或“不需要”)满足砝码和砝码盘的总质量m远小于M.
(2)滑块与水平桌面的动摩擦因数μ= (用F
,M,重力加速度g来表示).
(3)某次实验过程中,力传感器的读数为F,滑块通过光电门1和光电门2的
挡光时间分别为t
1,t
2
;滑块通过光电门2后砝码盘才落地.该实验需验证滑块的
动能改变与恒力做功的关系的表达式是(用题中物理量字母表示).
4、(2016·全国Ⅱ卷,22)某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究,实验装置如图(甲)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.
(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(乙)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.
5、某实验小组用如图所示的装置探究功和速度变化的关系:将小钢球从固定轨道倾斜部分不同位置由静止释放,经轨道末端水平飞出,落到铺着白纸和复写纸的水平地面上,在白纸上留下点迹,为了使问题简化,小钢球在离倾斜轨道底端的距离分别为L,2L,3L,…处释放,这样在轨道倾斜部分合外力对小钢球做的
功就可以分别记为W
0,2W
,3W
,…
(1)为了减小实验误差需要进行多次测量,在L,2L,3L…处的每个释放点都要让小钢球重复释放多次,在白纸上留下多个点迹.那么,确定在同一位置释放的小钢球在白纸上的平均落点位置的方法是.
(2)为了探究功和速度变化的关系,实验中必须测量(填选项前的标号).
A.小钢球释放位置离斜面底端的距离L的具体数值
B.小钢球的质量m
C.小钢球离开轨道后的下落高度h
D.小钢球离开轨道后的水平位移x
(3)该实验小组利用实验数据得到了如图所示的图象,则图象的横坐标
是.(用实验中测量的物理量符号表示)。