课件1：实验五 探究动能定理

图实Ⅴ－1
高考总复习·物理
实验五 探究动能定理
【实验器材】 小车(前面带小钩)、100 g～200 g砝码、长 木板(两侧适当的对称位置钉两个铁钉)、打点 计时器及纸带、学生电源及导线(使用电火花 计时器不用学生电源)、5～6条等长的橡皮筋、 刻度尺． 【实验过程】 1．按图实Ⅴ－1所示将实验仪器安装好，同 时平衡摩擦力． 2．先用一条橡皮筋做实验，用打点计时器 和纸带测出小车获得的速度v1，设此时橡皮筋 对小车做的功为W1，将这一组数据记入表格．
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图实Ⅴ－4
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(4)试根据(2)、(3)中的信息，填写下表.
次数
1 234
橡皮筋对小车做的功 W 小车速度v/(m·s－1)
v2/(m·/s－2)
从表中数据可得出结论：_______________.
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图实Ⅴ－2
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(1)实验时为了使小车相当于只在橡皮筋作用下运动， 应采取的措施是__________________________；
(2)每次实验得到的纸带上的点并不都是均匀的，为 了计算出小车获得的速度，应选用纸带的________部 分进行测量；
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实验创新设计
实验器材的创新 1．用小车和打点计时器进行实验
(2013·四川理综)如图实Ⅴ－5甲所示， 某组同学借用“探究a与F、m之间的定量关系” 的相关实验思想、原理及操作，进行“研究合 外力做功和动能变化的关系”的实验：
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小车速度v/(m·s－1) 1.0 1.415 1.73 2.0
v2/(m·/s－2)
1.0 2.0 3.0
4.0
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由表中数据可得出结论：橡皮筋对小车做的 功与小车速度的平方成正比．
[答案] 见解析 [点评] 分析做功与速度变化的关系时，由 数据可以看出W与v成非线性关系，因此需研 究W与v2的关系或W与的关系等，直到达到线 性关系．
0.200 0.420 W3 1.210 1.430
(3)根据上表，请在图实Ⅴ－7中的方格纸上 作出ΔE－W图线．
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图实Ⅴ－7
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[解析] (1)①在实验过程中拉力对小车和拉力传感
器做功使小车和拉力传感器的动能增加，所以需要测
量小车和拉力传感器的总质量；③通过控制变量法只
他们根据实验数据绘制了如图乙所示的W－v 图象，由图象形状得出结论W∝v2.他们的做法是 否合适？请说明理由：__________________.
[解析] (1)小车运动过程中要受到摩擦力等阻 力的作用，为抵消阻力的作用，可将木板的一端 适当垫高，设倾角为θ，只要满足F阻＝mgsin θ， 便可认为小车只在橡皮筋作用下运动．
②由题图乙可知 OF＝55.75 cm，再结合 vt/2 ＝v 可得打下计数点 F 时的瞬时速度 vF＝OG2－TOE ＝1.051 m/s，故 W＝F×OF＝0.111 5 J，ΔEk＝12 Mv2F≈0.110 5 J.
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③根据牛顿第二定律有：对小车 F＝Ma，
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考点核心突破
考点一 对实验原理的理解
(2014·广州模拟)某研究性学习小组做探究“橡 皮筋做的功和物体速度变化的关系”的实验，实验开始前， 他们提出了以下几种猜想：①W∝ v，②W∝v，③W∝v2. 实验装置如图实Ⅴ－2 甲所示，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.当我们用 2 条、3 条……完全相同的橡皮筋并在 一起进行第 2 次、第 3 次……实验时，每次橡皮筋都拉伸 到同一位置释放．小车在实验中获得的速度由打点计时器 所打的纸带测出．
[解析] (1)将木板固定有打点计时器的一端垫
起适当的高度，使小车缓慢匀速下滑．
(4)由匀速运动的速度公式 v＝xt ，其中 x 从图上 读出分别为 2.00 cm、2.83 cm、3.46 cm、4.00 cm.t＝
T＝1f＝0.02 s，即可求出小车的速度.
次数
12
3
4
橡皮筋对小车做的功
2W 3W 4W
(3)同学们设计了以下表格来记录数据．其中W1、W2、 W3 、 W4 … 表 示 橡 皮 筋 对 小 车 做 的 功 ， v1 、 v2 、 v3 、 v4…表示小车每次获得的速度.
实验次数 1 2 3 4 …
W
W1 W2 W3 W4 …
v
v1 v2 v3 v4 …
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图实Ⅴ－5
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①为达到平衡阻力的目的，取下细绳及托盘， 通过调整垫片的位置，改变长木板倾斜程度， 根据打出的纸带判断小车是否做 ________运 动．
②连接细绳及托盘，放入砝码，通过实验得 到图乙所示的纸带．纸带上O为小车运动起始 时刻所打的点，选取时间间隔为0.1 s的相邻计 数点A、B、C、D、E、F、G.实验时小车所受 拉力为0.2 N，小车的质量为0.2 kg.
得 a＝1.0 m/s2；对托盘及砝码(m＋m0)g－F＝(m
＋ m0)a ， 故 有
m
＝
F g－a
－
m0
＝
0.2 9.8－1.0
kg －
7.7×10－3 kg＝0.015 kg.
[答案] ①匀速直线(或匀速) ②0.111 5 0.110 5 ③0.015
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2．用拉力传感器和速度传感器进行实验
某实验小组利用拉力传感器和速度
传感器探究“动能定理”，如图实Ⅴ－6所示，
他们将拉力传感器固定在小车上，用不可伸长
的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连，用拉
力传感器记录小车受到拉力的大小．在水平桌
面上相距50.0 cm的A、B两点各安装一个速度
传感器，记录小车通过A、B时的速度大
小．小车中可以放置砝码．
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小车获得的速度
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5.观察测得数据进行估计，大致判断两个量 可能的关系，然后以W为纵坐标，以v2(或v、 v3)为横坐标作图，寻找二者的关系．
【误差分析】 1．橡皮筋的差异和拉伸长度差异使做功不 同． 2．平衡摩擦力不彻底或平衡过了也会造成 误差． 3．利用打上点的纸带计算小车的速度时， 测量不准会带来误差．
分析上述数据可知：在实验误差允许的范围
内W＝ΔEk，与理论推导结果一致． ③实验前已测得托盘质量为7.7×10－3 kg，实
验时该组同学放入托盘中的砝码质量应为
________kg(g取9.8 m/s2，结果保留至小数点后
第三位)．
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[解析] ①取下细绳与托盘后，当摩擦力恰好 被平衡时，小车与纸带所受合力为零，获得初速度 后应做匀速直线运动．
改变小车的质量或只改变拉力大小得出不同的数据．
(2)通过拉力传感器的示数和 A、B 间距用 W＝
FL 可计算拉力做的功．
(3)利用图象法处理数据，由动能定理 W＝12mv22
－12mv21，可知 W 与ΔE 成正比，作图可用描点法，
图线如图所示．
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[答案] (1)①小车 ②释放小车 ③减少砝码 (2)0.600 0.610 (3)见解析图
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实验五 探究动能定理
基础要点整合
【实验目的】 1．探究外力对物体做功与物体速度的关 系． 2．通过数据分析，总结出外力做功与物体 动能变化的关系．
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【实验原理】 探究做功与物体动能变化的关系，可通过改 变力对物体做的功，测出力对物体做不同功时 物体的速度．为简化实验可将物体初速度设置 为零，用如图实Ⅴ－1所示的装置进行实验， 通过增加橡皮筋的条数使橡皮筋对小车做的功 成倍增加，再通过打点计时器和纸带来测量每 次实验后小车的末速度．
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3．用2条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋拉伸 的长度与第一次相同，这样橡皮筋对小车做的 功为W2，测出小车获得的速度v2，将数据记入 表格．
4．用3条、4条……橡皮筋做实验，用同样 的方法测出功和速度，记入表格.
橡皮筋的条数 1 2 3 4 5 力对小车做的功 1W 2W 3W 4W 5W
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次数
1 2 3 4 5
M/kg
0.500 0.500 0.500 1.000 1.000
|v22－v21 |/(m2/s2)
0.76 1.65 2.40 2.40 2.84
ΔE/J F/N W/J
0.190 0.413 ΔE3 1.200 1.420
0.400 0.840 1.220 2.420 2.860
请计算小车所受合外力做的功W和小车动能 的变化ΔEk，补填表中空格(结果保留至小数点 后第四位).
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O —B O —C Oຫໍສະໝຸດ —D O —E O —FW/J 0.043 2 0.057 2 0.073 4 0.091 5
ΔEk/J 0.043 0 0.057 0 0.073 4 0.090 7
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考点二 实验数据的处理
为了探究力对物体做的功与物体速度 变化的关系，现提供如图实Ⅴ－3所示的器材， 让小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿木板滑行， 请思考并回答下列问题(打点计时器交流电频 率为50 Hz)：
图实Ⅴ－3
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(1)为了消除摩擦力的影响应采取什么措施？ (2)当我们分别用同样的橡皮筋1条、2条、3 条……并起来进行第1次、第2次、第3次…… 实验时，每次实验中橡皮筋拉伸的长度都应保 持一致，我们把第1次实验时橡皮筋对小车做 的功记为W. (3)由于橡皮筋对小车做功而使小车获得的速 度可以由打点计时器和纸带测出，如图实Ⅴ－ 4所示是其中四次实验打出的部分纸带．
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图实Ⅴ－6 (1)实验主要步骤如下： ①测量________和拉力传感器的总质量M1； 把细线的一端固定在拉力传感器上，另一端通 过定滑轮与钩码相连；正确连接所需电路；
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②将小车停在 C 点，________，小车在细线拉动下运 动，记录细线拉力及小车通过 A、B 时的速度．
③在小车上增加砝码，或________，重复②的操作． (2)下表是他们测得的一组数据，其中 M 是 M1 与小车 中砝码质量之和，|v22－v21|是两个速度传感器记录速度的平 方差，可以据此计算出动能变化量ΔE，F 是拉力传感器受 到的拉力，W 是 F 在 A、B 间所做的功．表格中ΔE3＝______， W3＝______．(结果保留三位有效数字)
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【注意事项】 1．平衡摩擦力时连着纸带且接通电源． 2．测小车速度时，纸带上的点应选分布均 匀部分，也就是选小车做匀速运动时所打点进 行测量、计算． 3．小车应靠近打点计时器，并且要先接通 电源后再放手． 4．小车质量应大一些，使纸带上打的点多 一些． 5．橡皮筋应选规格一样的
(2)小车在橡皮筋作用下做加速运动，橡皮筋作 用完后小车做匀速运动，此时纸带上的打点间距 应是均匀的．
(3)因为W－v图象是曲线，不能确定W与v2的 函数关系，所以不合适．
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实验五 探究动能定理
[答案] (1)把木板的末端垫起适当高度以平 衡摩擦力
(2)点距均匀 (3)不合适．由曲线不能直接确定W、v2的函 数关系，应进一步绘制W－v2图象 [点评] (1)实验中要通过倾斜木板平衡摩擦 力，这与探究加速度与力、质量关系中平衡摩 擦力的原因是一样的． (2)计算小车的速度时，应选纸带上点距均匀 的部分进行测量．