2016新课标名师导学新高考第一轮物理总复习课件:第5章 第5节实验:探究功与速度变化的关系实验

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力的功,必须设法排除摩擦力的影响.可采用将木板一 端垫高的方法来实现.将木板一端垫高,让自由小车(不 系橡皮筋时)能在木板上匀速运动,使重力沿斜面方向 的分力与摩擦力相平衡,就消除了摩擦力的影响.
(2)每次实验所用的每条橡皮筋,其长度、材料和 粗细都应是相同的,并且橡皮筋拉伸的长度都保持一 致.
(3)打点计时器打出的纸带上相邻各点的间距并 不均匀,应选点间间距相等的一段纸带来计算小车的 速度,因这一小段是橡皮筋对小车做功完毕时的情形.
根据表中数据,可得出的实验结论


由这些数据可看出该实验存在
(选填“偶
然”或“系统”)误差.
【解析】(1)为使小车所受的合外力等于细线的拉 力,应该平衡摩擦力; 由于沙和沙桶的加速度竖直向 下,绳的拉力总是小于沙和沙桶的重量,只有当加速 度远小于重力加速度 g 时,绳的拉力才近似等于沙和 沙桶的重量,只有当沙和沙桶质量远小于小车质量时 才能使加速度远小于重力加速度 g,为使细线的拉力
d 做功后的速度:vi=___2_T___.
(5)分析测量数据得出实验结论.根据实验所得数 据 Wi 与 vi,猜想 Wi 与 vi 的关系,先看它们是否满足 最简单的正比关系,即:Wi∝vi.接着再猜想 Wi∝v2i ? 大致成立后,再作 Wi-v2i 图进行验证.
5.实验结论:Wi∝v2i . 6.实验中应注意事项 (1)平衡摩擦力:实验中的小车不可避免地要受到 摩擦力的作用,为了保证橡皮筋对物体的功就是合外
关系”,设计了如下实验,他的操作步骤如下. ①连接好实验装置如图所示.
②将质量为 200 g 的小车拉到打点计时器附近, 并按住小车.
③在质量为 10 g、30 g、50 g 的三种钩码中,他 挑选了一个质量为 50 g 的钩码挂在拉线的挂钩 P 上.
④释放小车,打开打点计时器的电源,打出一条
纸带. (1)在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满
方法三:图象法.从纸带上选取多个点,测量从第 一点到其余各点的下落高度 h,并计算各点速度的平 方 v2,然后以12v2 为纵轴,以 h 为横轴,根据实验数 据绘出12v2-h 图线.若在误差允许的范围内图象是一 条过原点且斜率为 g 的直线,则验证了机械能守恒定 律.
后,另一端(上端)穿过打点计时器限位孔,用手提着 纸带,使重物静止并靠近计时器的下方.
(3)接通电源,让重物带动纸带自由下落,计时器 在纸带上打下一系列的点.
(4)换几次纸带,重复上述(2)、(3)步骤.
(5)在所得到的纸带中,选取点迹清晰、且第一、 二两点间的距离接近 2 mm 的 3 条纸带进行测量.先记 下第一点作为 O 点,再在纸带上点迹清晰部分依次连 续地选取三个计数点,且相邻两计数点间的时间相等, 设为 T,如图所示的 D、E、F 三点,用刻度尺测出距 O 点到 E 点的距离设为 hi,以及 D、F 间的距离 s.
ΔEk(选填“>”、“<”或“=”),造成这种结果的主要
原因是
.
【解析】(1)由
v5

(19.14+21.66)×10-2 0.05×2
m/s
=4.08 m/s.
(2)从 t2 到 t5 时间内, Δ Ep = mg Δ h = 0.2×9.8×(26.68 + 24.16 + 21.66)×10-2 J=1.42 J,
小车动能的增量
ΔEk=
12mv2=
1 2
×0.200
×
1.002
J=
0.100 J. (2)误差很大的可能原因:①小车质量不满足远大
于钩码质量;②没有平衡摩擦力. 特别注意:先放小车后开电源,使打第一个点时,
小车已有了一定的初速度,会产生误差,但不是上述
实验结果的误差,单由这个原因,ΔEk 大于 W.
(5)由于实验中不可避免地存在纸带与限位孔、振 针间的摩擦及空气阻力作用,因此减小的重力势能值
ΔEp 要大于增加的动能值ΔEk.
题型一:对“探究功与速度变化的关系”的考查
例1某同学利用如图所示的装置研究小车动能与
合力做功的关系.已知打点计时器所使用的交流电源 的频率为 f,小车质量为 M,沙和沙桶的总质量为 m, 当地重力加速度为 g. 该同学将沙和沙桶的重量当成 小车所受合力大小来计算合力做的功.
(2)打点计时器要竖直架稳,使板面在同一竖直平 面内,其两限位孔中心要在同一竖直线上,以尽量减 少纸带与打点计时器间的摩擦阻力作用.
(3)实验时,必须先接通电源,让打点计时器正常 工作后才能松开纸带让重物下落.
(4)测量下落高度时,都必须从起始点算起,不能 弄错.为了减小测量 h 值的相对误差,选取的各个计数 点要离起始点适当远些.
等于沙和沙桶的重量,应该使 m≪M.AD 正确.
(2)打下 B 点时速度等于 AC 间的平均速度,可得 vB=sC2-TsA=f(sC-2 sA),小车的动能为 Ek=12Mv2B=
18Mf2(sC-sA)2,将沙和沙桶的重量当成小车所受合力 大小来计算合力做的功 W=mgsB
(3) 根据表中数据可看出,合力对小车所做的功 总是略大于小车动能的增加量,这是因实验原理造成 的系统误差.在误差允许范围内,可认为二者相等.
1.数据处理和守恒的验证有以下三种方法: 方法一:利用起始点和第 n 点计算,代入 ghn 和12 v2n,如果在实验误差允许的范围内 ghn=12v2n,则验证 了机械能守恒定律.
方法二:任取两点计算
(1)任取两点 A、B 测出 hAB,算出 ghAB. (2)算出12v2B-12v2A的值. (3)如果在实验误差允许的范围内 ghAB=12v2B -12v2A,则验证了机械能守恒定律.
【答案】(1)AD (2)B 18Mf2(sC-sA)2 mgsB (3)在误差允许范围内,合力对小车所做的功等于 小车动能的增加量 系统

【方法与知识感悟】“探究功与速度变化的关 系”的实验,有多种设计方案.都要注意以下几个方 面:
(1)怎样确定合力的功?相同的橡皮拉伸相同的长 度,弹力对物体做的功相等,在平衡了摩擦力之后, 合力的功与橡皮条条数成倍数关系;本例中,在平衡 了摩擦力之后,合力的功即绳子拉力的功,当 m≪M 条件成立之后,合力即 mg,位移从纸带上得出,W 合 =mgs,也可用拉力传感器直接测拉力.
二、实验:验证机械能守恒定律 1.实验目的:验证物体做自由落体运动时机械能 守恒.巩固由纸带求瞬时速度的方法,体验误差分析.
2.实验原理:自由下落的物体只有重力做功,若 减小的势能等于增加的动能,即:_-__Δ_E_p_=__Δ_E__k____, 则物体机械能守恒.
3.实验的方法:让连着纸带的重物由静止自由下 落,重物下落的高度h,和下落高度h时重物的速度v,
始运动打下的第一点,A、B、C 为纸带中的三个相邻
的点,测出 A、B、C 三点到 O 点的距离分别为 sA、
sB、sC,根据题中给出的已知量及测出的物理量,可
得到打下纸带上
点时小车的动能,其表达式
为 Ek=
,相对应的运动过程中合力
所做的功的表达式为 W=
.
(3)通过多次测量,得到多组 Ek 与 W 如下表 Ek/×10-2 J 5.76 7.88 10.35 13.56 16.47 19.58 W/×10-2 J 5.89 8.06 10.57 13.79 16.70 19.81
时刻
t2 t3 t4 t5
速度(m/s) 5.59 5.08 4.58
(1)由频闪照片上的数据计算 t5 时刻小球的速度 v5

m/s.
(2)从 t2 到 t5 时间内,重力势能增量
ΔEp=
J,动能减少量ΔEk=
J.
(3)在误差允许的范围内,若ΔEp 与ΔEk 近似相等,
从 而 验 证 了 机 械 能 守 恒 定 律 . 由 上 述 计 算 得 Δ Ep
(1)关于以下措施的分析,正确的是( ) A.为使小车所受的合外力等于细线的拉力,应该 平衡摩擦力 B.为使细线的拉力等于沙和沙桶的重量,应该平 衡摩擦力 C. 为使小车所受的合外力等于细线的拉力,应该
使 M≫ m
D.为使细线的拉力等于沙和沙桶的重量,应该使
M≫m
(2)该同学得到的一条纸带如图所示.O 为小车开
可根据纸带得出.看____g_h_=__12_v_2____是否成立?
4.实验器材:铁架台,重锤,打点计时器,低压 交流电源,开关,刻度尺,复写纸,纸带,导线.
5.实验步骤: (1)按装置图安装好器材,注意打点计时器板面竖 直,保证两个限位孔中心在同一竖直线上,并用导线
将计时器接到低压交流电源上. (2)将长约 1 米的纸带一端用小夹子固定在重物上
摩擦力. (2)将小车拉到靠近打点计时器的位置(在橡皮筋
弹性限度内),并标记下此位置;接通电源后松手. (3)换上纸带,并在纸带上做好标记,每次加接两
根橡皮筋,然后将小车拉到同一位置,接通电源后松
手.依次再做四次.
(4)根据纸带求橡皮筋对小车做功后的速度.在 每条纸带上找出点间间距相等的那部分,它记录的是 小车做匀速运动的情况,如图所示的计数点B、E、C 部分.用刻度尺量出计数点B、C之间的距离d,设相 邻两计数点间的时间间隔为T,那么,橡皮筋对小车
【答案】(1)0.196 0.100 (2)见解析
题型二:对“验证机械能守恒定律”实验 的考查
例3某同学利用竖直上抛小球的频闪照片
验证机械能守恒定律.频闪仪每隔 0.05 s 闪光 一次,图中所标数据为实际距离,该同学通过
计算得到不同时刻的速度如下表(当地重力加 速度取 9.8 m/s2,小球质量 m=0.2 kg,结果 保留三位有效数字):
(6)用公式 vi=st,计算出 E 点对应速度.
(7)看势能减少量 mghi 是否等于动能增加量12mv2i .
6.实验结论:重物自由下落时机械能守恒. 7.实验中应注意事项 (1)因为不需要知道物体在某点动能和势能的具
体数值,所以不必测量物体的质量 m,而只需验证12v2n =ghn 就行了.
(2)怎样确定速度的变化?一般情况是分析被研究 的物体带动的纸带上的点得出,也可用频闪照片,光 电门等方法测出.
(3)分析 W 合与 v 的关系,或分析 W 合与ΔEk 的关 系,得出结论.
(4)有时也可做相关的图象,分析表格上的数据, 得出结论,分析误差.
例2某同学为探究“恒力做功与物体动能改变的
意的一条.经测量、计算,得到如下数据: ①第一个点到第 N 个点的距离为 40.0 cm.
②打下第 N 点时小车的速度大小为 1.00 m/s.该同 学将钩码的重力当作小车所受的拉力,拉力对小车做
的功为
J,小车动能的增量为
J.
(2)此次实验探究结果,他没能得到“恒力对物体
做的功等于物体动能的增量”,且误差很大,显然,
在实验探究过程中忽视了各种产生误差的因素.请你 根据该同学的实验装置和操作过程帮助分析一下,造
成较大误差的主要原因有:
______________________________________________
【解析】(1)拉力 F=mg=0.050×9.8 N=0.49 N, 拉力对小车做的功 W=Fl=0.49×0.400 J=0.196 J,
第5节 实验:探究功与速度变化的关系 实验:验证机械能守恒定律
一、实验:探究功与速度变化的关系 1.实验目的: (1)探究功与物体速度变化的关系. (2)感悟实验方案的设计和实验数据的处理方法. 2.实验的方法:如图所示,依次用 1 根、2 根、3 根……同样的橡皮筋与物体相连接,并且每次将橡皮 筋拉伸相同的长度,这样操作,无须计算就可知道橡 皮筋对物体所做的功依次为 W、2W、3W…… 而每次橡皮筋对物体做功后的速度,可用打点计 时器测出.
ΔEk=
1 2
m(v
22-v25)=
1 2
×
0.2×(5.592-
4.082)
J=
1.46 J. (3)由于空气阻力的存在,故ΔEp<ΔEk.
【答案】(1)4.08 (2)1.42 1.46 (3)< 存在空气 阻力
【方法与知识感悟】利用重物带动纸带竖直向下 落做“验证机械能守恒定律”实验的考查,主要在数 据的计算处理和误差分析两方面.
3.实验器材:本实验需要的器材有:打点计时器(含 纸带、学生电源、复写纸、连接导线)、同种橡皮条(10 根)、小车、长木板、钉子、刻度尺.
4.实验步骤: (1)按图连接好器材.橡皮筋的一端套在小车上,另 一端套在钉子上,第一次用两根橡皮筋.将长木板倾斜 一个角度,使重力沿斜面向下的分力平衡小车受到的
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