2014高考物理大一轮复习讲义第五章实验五探究动能定理(精)

实验五探究动能定理
考纲解读1.通过实验探究力对物体做的功与物体速度变化的关系 2体会探究过程和所使
用的方法.
基本实验要求
1.实验目的
探究功与物体速度变化的关系.
2•实验原理
(1) 一根橡皮筋作用在小车上移动距离 (2) 两根橡皮筋作用在小车上移动距离 (3) 三根橡皮筋作用在小车上移动距离
⑷禾U 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
3. 实验器材
橡皮筋、小车、木板、打点计时器、纸带、铁钉等.
4. 实验步骤
(1)用一条橡皮筋拉小车一 —做功 W
(2)用两条橡皮筋拉小车一 —做功 2W
V (3)用三条橡皮筋拉小车
—做功
3W V
(4)
测出每次小车获得的速度.
⑸ 分别用各次实验测得的 v 和W 绘出W- v 、W- v 2, W- v 3、W- .v 关系图.
5.
实验结论
基础回放・要点整合
政砌实脸雇本婺求專掘鞍摒址理技肝和方法
s ――做功为W s ——做功应为2W s ——做功应为3WW
v — W 关系.
1
找出v与W间的关系W 2mV.
规律方法总结
1.实验注意事项
(1) 将木板一端垫高，使小车的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的均匀程度判断小车是否做匀速运动，找到长木板的一个合适的倾角.
(2) 测小车速度时，应选纸带上的点均匀的部分，也就是选小车做匀速运动的部分.
(3) 橡皮筋应选规格一样的.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.
(4) 小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些.
2•实验探究的技巧与方法
(1) 不直接计算W和v的数值，而只是看第2次、第3次……实验中的W和v是第1次的多少倍，简
化数据的测量和处理.
课堂探究-考点突破先瞰命听共同探究民律方法
(2) 用W v1 2图象处理实验数据，这比W v图象更加直观、明了.
1 设法让橡皮筋对小车做的功分别为W 2W 3W…；
2 分析打点计时器打出的纸带，求出小车的速度V1、V2、V3、…；
⑶作出W v草图；
考点一对实验原理及误差分析的考查
例1探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系，实验装置如图1所示，实
验主要过程如下：
B. 小车运动中会受到阻力，补偿的方法可以使木板适当倾斜
C. 某同学在一次实验中，得到一条记录纸带•纸带上打出的点，两端密、中间疏•出现
这种情况的原因，可能是没有使木板倾斜或倾角太小
D. 根据记录纸带上打出的点，求小车获得的速度的方法，是以纸带上第一点到最后一点的距离来进行
计算
解析由于选用同样的橡皮筋，并且每次实验中橡皮筋拉伸的长度相同，因此每条橡皮筋对小车做的功都相同，故A正确；小车在运动中受到的阻力，采取平衡摩擦力的方法补偿，让木板固定有打点计时器的一端适当抬高，使重力的下滑分力与摩擦力平衡，故B正确；纸带上的点两端密、中间疏，说明小车先在橡皮筋拉力作用下加速，后在阻力作用下减速，故C正确；由于橡皮筋松驰后，小车做匀速运动，此时的速度是橡皮筋对小车做功后的最大速度，故求速度应该用做匀速运动的那一段纸带的数据，而不应该用从第一点到最后一点的数据来计算，故D错误.
答案D
考点二对实验步骤和实验数据处理的考查
例2为了探究力对物体做功与物体速度变化的关系，现提供如图2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):
(1) 为了消除摩擦力的影响应采取什么措施?
5第4次丁350[ 艮EQ 「3卫良] 4.0CLL 4,00」4,如」
(4)试根据(2)、(3)中的信息，填写下表
次数
1 2
3
4
橡皮筋对小车做的功
W
小车速度v (m/s)
v (m /s )
从表中数据可得出结论： _________________________________ .
解析 该题综合考查了本实验的注意事项、数据处理及结论，对考生的能力要求较高.
(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.
x
⑷ 由匀速运动的速度公式 v =「其中x 从图上读出分别为 2.00 cm 2.83 cm 3.46 cm
1
4.00 cm. t = T = f = 0.02 s ，即可求出小车的速度
次数
1 2 3 4 橡皮筋对小车做功
2W
3W 4W 小车速度v (m/s)
1.0 1.415 1.73
2.0 2 2 2
v (m /s )
1.0
2.0
3.0
4.0
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
I 创新实验设计►
例3某实验小组采用如图 4所示的装置探究“动能定理” •图中小车内可放置砝码，实验 中，小车碰到制动
I ■ ■ I* ・」l ■
・■ I '・ ■ I ■
■ I ■
■ F
亍 I
&瞅"I 爲叫1/和込I 』气庄峻|/46j
图4
装置时，钩码尚未到达地面，打点计时器的工作频率为50 Hz.
(1)实验的部分步骤如下：
① 在小车中放入砝码， 把纸带穿过打点计时器， 连在小车后端，用细线连接小车和钩码; ② 将小车停在打点计时器附近， ___________________ ， __________________ ，小车拖动纸带， 打点计时器在纸带上打下一系列点，关闭电源；
③ 改变钩码或小车中砝码的数量，更换纸带，重复②的操作.
(2) 如图5是某次实验得到的一条纸带，
在纸带上选择起始点 0及多个计数点 A 、B C
一 舐带运动方向
~R~
-D - ~E~
li lpni| if|- |i iiili v i|rilT|i ri| O*II p i ii|Tin p nipr|i i qni npii p i ii|i Iti |i II it| mi| ini|1iii| i
Ocml 2
3 4
5
6 7
8 9 IO 11 12
图5
(3)下表是某冋学在改变钩码或小车中砝码的数量时得到的数据•其中 与小车中
砝码质量 m 之和，|V 2— V 1|是纸带上某两点的速度的平方差， M 是小车质量M
可以据此计算出动
能变化量△ E ; F 是钩码所受重力的大小， W 是以上两点间F 所做的功.
由上表数据可以看出，总是大于△ ,其主要原因是：钩码的重力大于小车实际受到的
拉力造成了误差，还有 ______________________________________ . 答案(1)先接通电源
后释放小车
(2) 8.15(8.12 〜8.18 皆可) 0.54(0.54 〜0.55 都对)
(3) 没有平衡摩擦力
D E 、
，可获得各计数点刻度值
s ，求出对应时刻小车的瞬时速度
V ,则D 点对应的
刻度值为S D = cm.D 点对应的速度大小为 V D
m/s.
随堂训练［能力达标程脸谭堂效黒提眇翼题陡力
1.关于“探究动能定理”的实验中，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
答案D
解析实验中没有必要测出橡皮筋做功的具体数值，只要测出后来各次橡皮筋做的功是
第一次的多少倍即可，A错误；为了使以后各次实验中橡皮筋做的功是第一次实验时的整数倍，必须使每次实验中橡皮筋拉伸的长度保持一致，B错误；为了减小误差，实验
中应使木板倾斜以平衡摩擦力，C错误；实验中应先接通电源，然后再释放小车，D正确.
2•某实验小组采用如图6甲所示的装置探究动能定理，小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿木板滑行，打点计时器工作频率为50 Hz.
打点计时蛊
(1)实验中木板略微倾斜，这样做 __________________ (填答案前的字母)• A. 是为了释放小车后，小车能匀加速下滑 B. 是为了增大橡皮筋对小车的弹力
C. 是为了使橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功
D. 是为了使橡皮筋松驰后小车做匀加速运动
⑵ 若根据多次测量数据画出的
Wv 草图如图乙所示，根据图线形状可知，对 W 与 v 的
关系作出的以下猜想肯定不正确的是 ______________ .
答案(1)C (2)AB
3•利用如图7所示装置探究动能定理，在固定斜面上有一质量为 1 kg 的物块，后面固定一
条穿过打点计时器的纸带•先接通
电源，待打点稳定后，让物块从静止开始沿斜面匀加速下滑， 得到一条如图8所示的纸带.0点为打出的第一个点，
A B 、
C D E 、F 、G 是计数点，每相邻两计数点间还有
4个点未画出，各点间距如图所示,
根据相关数据进行下列处理.
(打点计时器的打点频率为 50 Hz , g = 10 m/s 2)
9
A
H
C
D
£
F
C
4 ---- * * ■ * ■ * «
H 17.65 *卜］14,79十 2O»I —4*— 2W + 26.79 ― |
(1)通过传感器测得物块所受的合外力是
3.0 N •试完成下表:
从O 点到各点过程合力所做的功 W J
各点的动能E7J
OB 0.883 8 B 0.884 5 OC 1.327 5
C 1.327 6 OD
D
1.863 4
小车
甲
图7
OE 2.485 8E 2.486 5
OF 3.199 8F
(2)根据(1)表中的数据，实验结论是________________________________________________________ .
答案(1)1.861 5 3.199 2 (2)见解析
解析⑴在OD段的功为W= F・"OD= 3.0 X (17.65 + 11.81 + 14.79 + 17.80) X 10 一2J =
1.861 5 J
在F处的速度为：
巨+豆/.甸+販用I r2
V F=2T = 2X 01 m/s = 2.529 5 m/s
1
所以动能H F= 2mv 2= 3.199 2 J
(2)在误差允许的范围内，合外力做的功等于物块动能的变化量.
4•某实验小组用如图9所示的实验装置和实验器材做“探究动能定理”实验，在实验中，该小组同学把砂和砂桶的总重力当作小车受到的合外力.
(1) 为了保证实验结果的误差尽量小，在实验操作中，下面做法必要的是_________.
A. 实验前要对装置进行平衡摩擦力的操作
B. 实验操作时要先放小车，后接通电源
C. 在利用纸带进行数据处理时，所选的两个研究点离得越近越好
D. 在实验过程中要保证砂和砂桶的总质量远小于小车的质量
(2) 除实验装置中的仪器外，还需要的测量仪器有____________________________________________ .
(3) 如图10为实验中打出的一条纸带，现选取纸带中的A、B两点来探究“动能定理”. 已知打点计
时器的打点周期为T,重力加速度为g.图中已经标明了要测量的物理量，另外，小车的质量为M砂和砂桶的总质量为m请你把要探究的结果用题中给出的字母表达出
来_____________________________________ .
图10
2 2
M X2 - X1
答案(1)AD (2)刻度尺、天平(3) mgX= 32T2
解析(2)本题的实验原理是验证用砂桶做的功等于小车动能的增加量，所以要测砂桶和砂、小车的质量，还要测纸带上各点的距离来求速度，所以所需的器材还应有天平和刻度尺.
X i X2
⑶在A点的速度为v i = 4T，在B点：V2= 4T
1 1 M X22-x i2
所以动能变化量△ E k= 2Mv 2-2Mv 2= 32T2
而砂桶和砂做的功为：W= mgx
M X22-x i2
要探究动能定理的表达式为：mgx= 32T2
5•如图11所示是某研究性学习小组做探究“橡皮筋做功和物体速度变化的关系”的实验，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当我们把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•小车每次实验中获得的速度由打点计时器所打点的纸带测出.
(1) 除了图中已给出的实验器材外，还需要的器材有_______________________________ ;
(2) 实验时为了使小车只在橡皮筋作用下运动，应采取的措施是___________________________
(3) 每次实验得到的纸带上的点并不都是均匀的，为了测量小车获得的速度，应选用纸带
的________ 部分进行测量；
⑷下面是本实验的数据记录表，请将第2次、第3次……实验中橡皮筋做的功填写在对
应的位置；
、、、数据物理量橡皮筋做的
功
10个间距的
距离X(m)
10个间距的
时间T(s)
小车获得的
速度V n
小车速度的
平方V n2
1W0.2000.2 20.2800.2 30.3000.2 40.4000.2
50.450
0.2
(5)从理论上讲，橡皮筋做的功匕W和物体速度V n变化的关系应是W伏，请你根
据表中测定的数据在如图12所示的坐标系中作出相应的图象验证理论的正确性.
(6)若在实验中你作出的图线与理论的推测不完全一致，你处理这种情况的做法是 3 4 5
(6) 分析误差来源，改进实验方案或测量手段，重新进行实验.
答案(1)刻度尺(2)把木板的末端垫起适当高度以平衡摩擦力(3)点距均匀
(4) 2 W 3W 4W 5W⑸V n2图象见解析图(6)分析误差来源，改进实验方案或测量
手段，重新进行实验
解析(1)计算小车速度需要测量纸带上的点的距离，要用刻度尺.
(2)要让小车在木板上匀速运动，因而木板要倾斜以平衡摩擦力.
⑶ 小车匀速运动时，纸带上的点的间隔均匀.
4 橡皮筋每增加一条，对小车做的功就增加W
5 纵坐标表示速度的平方，横坐标表示功，利用描点法描出各组数据对应的点，然后用
平滑曲线连线作出V n2- W图象，如图所示.
(4)分析W- v图象.如果W- v图象是一条直线，表明W c v;如果不是直线，可考虑是否存在v2、v3、v
等关系.
以下关于该实验的说法中有一项不正确，它是________________ .
A. 本实验设法让橡皮筋对小车做的功分别为
W 2W 3W….所采用的方法是选用同样的橡皮筋，并在每次实验中使橡皮筋拉伸的长度保持一致. 当用1条橡皮筋进行实验
时，橡皮筋对小车做的功为W用2条、3条、…橡皮筋并在一起进行第2次、第3
⑵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
⑶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
3
所示是其中四次实验打出的部分纸带.。