[精品]2012年 高考物理一轮复习 专题五 第5讲 实验：探究动能定理 实验：验证机械能守恒定律 [配套课件]

D．释放小车，打开打点计时器的电源，打出一条纸带．
图 5－5－4 在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条．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
的重力当做小车所受的拉力，拉力对小车做的功为________J， 小车动能的增量为________J.
热点
纸带数据处理
【例 1】(2010 年湛江二模)在用打点计时器验证机械能守恒
定律的实验中，质量 m＝1.00 kg 的重物自由下落，打点计时器 在纸带上打出一系列点．如图 5－5－9 所示为选取的一条符合 实验要求的纸带，O 为第一个点，A、B、C 为从合适位置开始 选取的三个连续点(其他点未画出)．已知打点计时器每隔 0.02 s
－2
hOC－hOA 而 vB＝ 2T ，代入数据得 ΔEk＝1.84 J. (4)从数据看 ΔEp≈ΔEk，所以实验的结论是在误差范围内， 重物下落过程中机械能守恒．
打点计时器打点纸带数据处理： (1)时间计算．打点周期等于所接交流电的周期，即 T＝1/f， 计数点间的时间要看两计数点间有几个时间间隔，即 t＝nT.例 如： 每五个点取一个计数点， 交流电的频率为 50 Hz， T＝1/50 则 ＝0.02 s，t＝5T＝0.10 s. (2)速度计算．①平均速度计算：v＝x/t；②纸带做匀变速直 x 线运动时，中间点瞬时速度的计算：v＝ v ＝ t .如例题中 B 点速 Δx 度的求法； (3)计算加速度 a＝ T2 , 或者通过 v－t 图象求加速度．
比，即 W∝v2.
(3)误差分析：①橡皮筋的粗细不一致，导致做的功与条数 不成正比；②平衡摩擦力时，木板倾角过大或过小；③测量纸
带上的各点之间间距时有误差；④纸带上的点没有对应小车匀
速运动时刻． 6．注意事项
(1)平衡摩擦力很关键，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匀速运动，找到
(2)实验中误差产生的原因有_________________________
__________________________________________________
____________________________________.(写出两个原因)
答案：(1)AD (2)纸带与打点计时器之间有摩擦；用米尺测量纸带上点的
图 5－5－8
答案：(1)交流 (2)B d3－d12 8T2 m
接通打点计时器的电源
释放纸带
解析：打点计时器应接低压交流电源，打点计时器刚接通 电源时打点还不稳定，所以操作时，先接通打点计时器的电源 再释放纸带．从图上数据来看 B 点的瞬时速度可求，所以取 OB d3－d1 1 2 段来验证机械能守恒定律． k＝2mvB， vB＝ 2T ， ΔE 而 所以 ΔEk d3－d12 ＝ 8T2 m.
图 5－5－3
橡皮筋条数
位移 x/m
时间 t/s
速度 v/(m· )-1 速度平方 v2 (m2 ·-2) s s
②实验数据记录：建立上述表格．求出 v2 值． ③在坐标纸上分别作出 W－v 和 W－v2 图线，以一条橡皮
筋做的功为单位． (2)实验结论：从实验结果看出，功 W 与速度 v 的平方成正
图 5－5－9
解析：(1)验证机械能守恒定律是利用自由落体运动，纸带 做匀加速运动，点间距离越来越大，所以重物在纸带的左端． (2)从图上数据来看 B 点的瞬时速度可求，所以取 OB 段来 验证机械能守恒定律． (3)ΔEp＝mghOB 1 2 ＝1× 9.80× 19.2× 10 ＝1.88 J，ΔEk＝2mvB，
1．(2010 年揭阳梅州三校联考)某实验小组想测量木板对木 块的摩擦力所做的功．装置如图 5－5－10，一木块放在粗糙的 水平长木板上，右侧栓有一细线，跨过固定在木板边缘的滑轮 与重物连接，木块左侧与穿过打点计时器的纸带相连，长木板 固定在水平实验台上．实验时，木块在重物牵引下向右运动， 重物落地后，木块继续向右做匀减速运动，图 5－5－11 给出了 重物落地后打点计时器打出的纸带，系列小黑点是计数点，每
(3)先接通电源，然后松手让重锤带着纸带自由下落．
(4)重复几次，得到 3～5 条打好点的纸带．
(5)在打好点的纸带中挑选点迹清晰的一条纸带，在起点标
上 O，以后各点依次标上 1、2、3、4、……用刻度尺测出对应
下落高度 h1、h2、h3、h4……
hn＋1－hn－1 (6)应用公式 vn＝ 计算各点对应的瞬时速度 v1、2、 v 2T v3„„ (7)计算各点对应的势能减少量 mghn，和动能增加量 mv2/2 n 进行比较．
木板一个合适的倾角．
(2)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)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．
1．为了探究功与物体速度变化的关系，现提供如图 5－5－1 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
思考探究思路并回答下列问题．(打点计时器交流电频率为 50 Hz)
图 5－5－1
(1)为了消除摩擦力的影响应采取什么措施？ _______________________________________________. (2)用 n 条橡皮筋做第 n 次实验，得到打出的纸带如图 5－5 －2，请完成表格回答问题：
图 5－5－1 3．实验器材：打点记时器(纸带、复写纸)、小车(前有小钩)、 电源及导线，砝码、5～6 条等长橡皮筋、刻度尺、长木板、铁
钉等．
4．实验步骤 (1)按图 5－5－1 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．
位置时读数有误差．
图 5－5－6
4．(2010 年广州二模)用如图 5－5－7 所示的装置做“验证
机械能守恒定律”实验．打点计时器的打点周期为 T，重锤的质
量为 m，重力加速度为 g. (1)完成下面部分实验步骤的相关内容： A．按图示的装置安装器件． B ．将打点计时器接到____________
5．注意事项
(1)实验中打点计时器的安装，两纸带限位孔必须在同一竖 直线上，以减少摩擦阻力．
(2)实验时，必须先接通电源，让打点计时器工作正常后才
松手让重锤下落． (3)打点计时器必须接交流电源． (4)重锤应选质量较大的，从而使重力远大于下落过程中所
受的阻力，减小实验误差． (5)选用纸带时应尽量挑第一、二点间距离接近 2 mm 的纸
图 5－5－5 3．实验器材：铁架台(带铁夹)，打点计时器，重锤(带纸带 夹子)，纸带几条，复写纸片，导线，直尺，学生电源． 4．实验步骤 (1)按图 5－5－7 把打点计时器安装在铁架台上，用导线把 打点计时器与学生电源连接好． (2)把纸带的一端用夹子固定在重锤上，另一端穿过计时器 限位孔，用手竖直提起纸带使重锤停靠在打点计时器附近.
带．
(6)计算下落高度时，都必须从起始点算起．不能搞错，为 了减小测量 h 的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一
些，但纸带也不宜过长，有效长度可在 60～80 cm 内．
(7)因为实验要求第一个点对应重锤开始下落的时刻，这就 要尽量使该点是清晰小点，为此提起纸带的手要保持不动，待 接通电源，打点计时器正常工作后再松开纸带． v2 (8)实验中，只要验证 gh 是否等于 2 即可，不用测重锤的质
2． 实验原理： 自由落体运动中物体机械能守恒： mgh＝mv2/2. 故只需借助打点计时器， 通过纸带测出重物某时刻的下落高度 h 和该时刻的瞬时速度 v，即可验证机械能是否守恒． 测定第 n 点的瞬时速度的方法：测出第 n 点相邻的前、后 sn＋sn＋1 两段相等时间 T 内下落的距离 sn 和 sn＋1，则 vn＝ 2T ＝ dn＋1－dn－1 (如图 5－5－5 所示). 2T
第 5 讲
实验：探究动能定理 实验：验证机械能守恒定律
考点 1 探究动能定理 1．实验目的：探究外力做功与物体速度变化的关系． 2．实验原理 探究功与物体动能变化的关系，可通过改变力对物体做的 功，测出力与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，可用图 5－5－1 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 v.
(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…做实验，用同样的方法测出功和速度， 记入表格． 5．实验分析 (1)数据分析
①小车速度的求法：实验获得如图 5－5－3 所示纸带，利 用纸带上点迹均匀的一段测出两点间的距离，如纸带上 A、 两 B s 点间的距离 s，则 v＝T(其中 T 为打点周期)．
答案：0.196
0.100
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解析：拉力 F＝mg＝0.050× N＝0.49 N， 9.8 拉力对小车做的功 W＝F× l＝0.49× 0.400 J＝0.196 J 小车动能的增量 1 2 1 ΔEk＝2mv ＝2× 0.200× 1.002 J＝0.100 J.
考点 2
验证机械能守恒定律
1．实验目的：验证机械能守恒定律．
( 填“直流”或“交流”)电源上．
C．先______________________，再
________________，让重锤拖着纸带从高处
自由下落． D．……
图 5－5－7
(2)图 5－5－8 是实验打出的纸带， O 是速度为零的点，A、 B、C 是从合适位置选取的三个连续点(其他点未画出)，量得 d1、 d2、d3.取图中 O 和______(填“A”、“B”或“C”)点来验证机械能守 恒定律比较简捷方便，打点计时器打下该点时重锤的动能 Ek＝ ______________.
打一次点，当地的重力加速度 g＝9.80 m/s2.那么：
(1)纸带的______端(选填“左”或“右’)与重物相连；
(2)根据图上所得的数据，应取图中 O 点和______点来验证 机械能守恒定律； (3)从 O 点到所取点，重物重力势能减少量ΔEp＝________J， 动能增加量ΔEk＝________J；(结果取 3 位有效数字) (4)实验的结论是__________________________________．
量．
3．(2010 年新课标卷)图 5－5－6 为验证机械能守恒定律的
实验装置示意图．现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点 计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平．回答下列问题：
(1)为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有
______．(填入正确选项前的字母) A．米尺 C．0～12 V 的直流电源 B．秒表 D．0～12 V 的交流电源
图 5－5－2
次数 橡皮筋对小车做的功 小车速度 v(m/s) v2 (m2 /s2 )
1 W
2
3
4
从表中数据可得出结论：____________________________ _________________________________________________.
答案：(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 (2) 在误差允许的范围内，橡皮筋对小车做的功与小车速度 的平方成正比.
次数 橡皮筋对小车做的功 小车速度 v(m/s)
1
2 2W
3 3W
4 4W
1.00
1.00
1.42
2.02
1.73
2.99
2.00
4.00
v2(m2 /s2 )
2.(2010 年珠海模拟)某同学为探究“恒力做功与物体动能 改变的关系”，设计了如下实验，他的操作步骤是： A．连接好实验装置如图 5－5－4 所示． B．将质量为 200 g 的小车拉到打点计时器附近，并按住小 车． C．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．