教育最新K122019年高考物理大一轮复习实验05探究动能定理学案新人教版_3154

实验05 探究动能定理
(对应学生用书P99)
一、实验目的
1．探究外力对物体做功与物体速度的关系．
2．会用图象法处理实验数据，通过对实验数据分析，总结出做功与物体速度平方的关系．
二、实验原理
一根橡皮筋作用在小车上移动距离s—做功为W
两根橡皮筋作用在小车上移动距离s—做功应为2W
三根橡皮筋作用在小车上移动距离s—做功应为3W
利用打点计时器求出小车离开橡皮筋的速度列表作图，即可求出v－W关系
三、实验器材
橡皮筋、小车、木板、打点计时器、纸带、铁钉等
四、实验步骤
1．按原理图将仪器安装好
2．平衡摩擦力
3．用一条橡皮筋拉小车—做功W
4．用两条橡皮筋拉小车—做功2W
5．用三条橡皮筋拉小车—做功3W
“探究功与速度变化的关系”的实验装置如图所示，当小车在一条橡皮筋作用下弹出时，橡皮筋对小车做的功记为W；当用2条、3条、4条……完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、第4次……实验时，橡皮筋对小车做的功记为2W、3W、4W……每次实验中小车获得的最大速度可由打点计时器所打出的纸带测出．
(1)关于该实验，下列说法正确的是____________.
A．打点计时器可以用干电池供电
B．实验仪器安装时，可以不平衡摩擦力
C ．每次实验小车必须从同一位置由静止弹出
D ．利用每次测出的小车最大速度v m 和橡皮筋做的功W ，依次作出W ­v m 、W ­v 2m 、W ­v 3m ，W 2­v m 、W 3­v m ……的图象，得出合力做功与物体速度变化的关系
(2)如图所示，给出了某次实验打出的纸带，从中截取了测量小车最大速度所用的一段纸带，测得A 、B 、C 、D 、E 相邻两点间的距离分别为AB ＝1.48 cm ，BC ＝1.60 cm ，CD ＝1.62 cm ，DE ＝1.62 cm ；已知相邻两点打点时间间隔为0.02 s ，则小车获得的最大速度v m ＝____________m/s.(结果保留两位有效数字)
解析：(1)打点计时器必须用交流电，A 项错误；实验仪器安装时，必须平衡摩擦力，B 项错误；每次实验小车必须从同一位置由静止弹出，C 项正确；根据所得数据分别作出橡皮筋所做的功W 与小车获得的最大速度或小车获得的最大速度的平方、立方等图象，找出合力做的功与物体速度变化的关系，D 项正确．
(2)小车获得的最大速度v m ＝x t ＝1.62×10－20.02
m/s ＝0.81 m/s. 答案：(1)CD (2)0.81
(对应学生用书P 99)
一、数据处理
1．计算出第三次小车获得的速度．
2．分别用各次实验的v 和W 绘出v －W ，v 2－W ，v 3－W ，v 12
－W 关系图． 二、误差分析
1．误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋的拉力做功W 与橡皮筋的条数不成正比．
2．没有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力时倾角过大也会造成误差．
3．利用打上点的纸带计算小车的速度时，测量不准带来误差．
三、注意事项
1．平衡摩擦力：将木板一端垫高，使小车重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡．方法是轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点均匀程度判断小车是否匀速运动，打到木板一个合适的倾角．
2．选点测速：测小车速度时，纸带上的点应选均匀部分的，也就是选小车做匀速运动状态的．
3．规格相同：橡皮筋规格相同时，力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可，
不必计算出具体数值．
某同学为探究“合力做功与物体动能改变的关系”设计了如下实验，他的操作步骤如下：
图1
(1)按如图1所示安装好实验装置，其中小车质量M ＝0.20 kg ，钩码总质量m ＝0.05 kg.
(2)释放小车，然后接通打点计时器的电源(电源频率f ＝50 Hz)，打出一条纸带．
(3)他在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条，如图2所示．把打下的第一个点记作0，然后依次取若干个计数点，相邻计数点间还有4个点未画出，用厘米刻度尺测得各计数点到0点的距离分别为d 1＝0.041 m ，d 2＝0.055 m ，d 3＝0.167 m ，d 4＝0.256 m ，d 5＝0.360 m ，d 6＝0.480 m……，他把钩码的重力(当地重力加速度g ＝10 m/s 2)作为小车所受合力，算出打下0点到打下第5点合力做功W ＝____________J(结果保留三位有效数字，重力加速度g 取10 m/s 2
)，打第5点时小车的动能E k ＝____________(用相关数据前字母列式)，把打下第5点时小车的动能作为小车动能的改变量，算得E k ＝0.125 J.
图2
(4)此次实验探究的结果，他没能得到“合力对物体做的功等于物体动能的增量”，且误差很大．通过反思，他认为产生误差的原因如下，其中正确的是____________.
A ．钩码质量太大，使得合力对物体做功的测量值比真实值偏大太多
B ．没有平衡摩擦力，使得合力对物体做功的测量值比真实值偏大太多
C ．释放小车和接通电源的顺序有误，使得动能增量的测量值比真实值偏小
D ．没有使用最小刻度为毫米的刻度尺测距离也是产生此误差的重要原因
解析：若用钩码的重力作为小车所受的合力，则F 合＝mg ＝0.5 N ，从0点到打第5点时水平位移x ＝d 5＝0.360 m ，所以W ＝F 合x ＝0.5×0.360 J＝0.180 J ．打第5点时小车动能
E k ＝12Mv 25，v 5＝d 6－d 42Δt ，式中Δt 为5个时间间隔，即Δt ＝5f ，故E k ＝Mf 2200
(d 6－d 4)2.从该同学的实验操作情况来看，造成很大误差的主要原因是把钩码的重力当成了小车的合力和实验前没有平衡摩擦力．故选项A 、B 正确．C 、D 两个选项中提到的问题不能对实验结果造成重大影响，故不选C 、D ．
答案：(3)0.180 Mf2
200
(d6－d4)2(4)AB
(对应学生用书P100)
一、装置时代化
二、求解智能化
(1)摩擦阻力问题：靠小车重力的下滑分力平衡摩擦力→自由下落阻力减少→气垫导轨减少摩擦力．
(2)速度的测量方法：匀速运动速度→测量纸带上各点速度→光电门v ＝d
Δt
→速度传感器直接显示速度大小．
三、实验多样化
可探究动能定理，可验证单物体(系统)机械能守恒．
(2016·全国新课标卷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(a)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(a)
(1)试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(b)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试验中物块脱离弹簧时的速度为____________m/s.比较两纸带可知，____________(填“M ”或“L ”)纸带对应的试验中弹簧被压缩后的弹性势能大．
图(b)
解析：(1)打点计时器应先通电后释放物块，正确的顺序④①③②. (2)物块脱离弹簧时速度最大，v ＝Δx Δt ＝2.58×10－20.02
m/s ＝1.29 m/s ；由动能定理ΔE p ＝12
mv 2，根据纸带知M 纸带获得的最大速度较大，则弹性势能较大．
答案：(1)④①③②(2)1.29 M。