高中物理之探究动能定理实验

高中物理之探究动能定理实验

【知识建构】

【考情分析】 考试大纲 大纲解读

实验五 探究动能定理 本实验属高考冷点，在近几年的高考中涉及的很少，但“利用图像法处理实验数据”这种科学思路在未来的高考中还会涉及，难度相对较低

【考点知识梳理】

1．实验目的：探究恒力做功与物体动能改变的关系．

2．实验原理：如图4－5—1，小车在一条橡皮筋的作用下弹出，沿木板滑行．当我们用2条、3条…同样的橡皮筋进行第2次、第3次…实验时，每次实验中橡皮筋拉伸的长度都________，那么，第2次，第3次…实验中橡皮筋对小车做的功就是第1次2倍、3倍…如果把第1次实验时橡皮筋功记为W ，以后各次的功就是2W 、

机

械能

功 功 做功的两个必要因素 恒力做功：θcos Fs W =

变力做功 功率

平均功率：t W P =或θcos v F P =

瞬时功率：θcos Fv P = 机车的两种启动方式 以恒定的功率启动

以恒定的加速度启动 机械能 动能：2k 21mv E = 重力势能：mgh E =p 弹性势能：)(2

12仅适用于弹簧kx E p = 机械能：p k E E E += 基本规律 功能关系：E W ∆= 动能定理：12k k E E W -= 机械能守恒定律：p2k2p1k1E E E E +=+ 能量转化和守恒定律 图4－5－1

3W …．由于橡皮筋做功而使小车获得的速度可以由_______________器测出，也可以用其他方法测出．这样，进行若干次测量，就得到若干组功和速度的数据．

以橡皮筋对车做的功为__________，小车获得的速度为__________，以第1次实验时的功W 为单位，作出W —v 曲线，即功—速度曲线．分析这条曲线，可以得知橡皮筋对小车做

的功与小车获得的速度的定量关系．同样作出W —v 2曲线和W —mv 2

曲线． 3．实验器材：附有定滑轮的长木板，薄木块，小车，细线，砝码盘及砝码，__________，低压交流电源、导线、天平（带一套砝码），___________、纸带及复写纸等．

【考点知识解读】

一、探究过程

⑴按图4－5—2所示安装好实验仪器．先固定打点计时器，长木板的两侧A 处钉两个小钉，小车放在B 处挂上一根橡皮筋，使橡皮筋处于自由长度，并且AB 之间的长度略小于A 到木板右端的长度或大致相等，使小车从B 位置运动到长木板右端时受到橡皮筋向左的拉力做减速运动的距离较小．让纸带通过打点计时器，固定在小车上．

⑵将木板一端垫起来，形成一个斜面，轻推一下小车，小车做匀速运动．此时

sin f mg α=．

⑶第一次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v 1，设此时橡皮筋弹力对小车做功为W ，并将得到的数据记入表格．

⑷换用2条、3条、4条…同样的橡皮筋做实验，并将橡皮筋拉伸的长度都和第一次相同，测出2v 、3v 、4v ……，橡皮筋对小车做功分别为2W 、3W 、4W ……将数据记入录表格．

⑸分析纸带求出小车在橡皮筋自由长度时，即匀速运动时的速度，在纸带上找出距离相等的三个点并测出它们的距离s ，求出速度2s

v T

=

． ⑹记录数据

图4－5－2

W v v 2 v 3

s t

1．00 0．04 2．00 0．04 3．00 0．04 4．00 0．04 5．00 0．04 6．00

0．04

⑺建立W —v ，W —2v ，W —3v 直角坐标系，描点并用平滑的曲线连结，探究W 与v 、W 与2v 、W 与m 2v 的关系．

⑻分析图象得到结论．

二、注意事项

(1)我们用2条、3条……橡皮筋进行第2次、第3次……实验时，每次实验时橡皮筋伸长的长度都应保持一致．

(2)实验时可使木板略微倾斜，使小车恰能做匀速运动（平衡摩擦力）

三、 误差分析

⑴橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋的拉力与橡皮筋的条数不成正比．

⑵小车受力为零的位置不一定在设定的B 点．

⑶由于小车不受拉力的位置不一定在B 点，这就使拉力功W 与橡皮筋的条数不成正比，而作图象时纵坐标的单位长度依然将功与橡皮筋的条数按正比关系取值，这样使作出的W 、

v （2v 、3v ）各对应点的分布与W —v （2v 、3v ）函数图象发生偏离．

【例题】为了探究对物体做功与物体速度变化的关系，现提供如图4－5—4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50Hz ）：

(1)为了消除摩擦力的影响应采取什么措施?

___________________________________________________________________

图4－5－4 图4-5-3

(2)①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应都保持一致，我们把第1次实验时橡皮筋对小车做的功记为W．

②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4－5—5所示是其中四次实验打出的部分纸带．

图4－5—5试根据第①、②项中的信息，填写下表．

次数 1 2 3 4

橡皮筋对小车做

W

功

小车速度v(m/s)

v2(m2/s2)

从表中数据可得出结论：_________________________

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．（2）表格中数据如下

次数 1 2 3 4

橡皮筋对小车做

2 W

3 W

4 W

功

小车速度v(m/s) 1．0 1．415 1．73 2．0

v2(m2/s2) 1．0 2．0 3．0 4．0

结论：橡皮筋对小车做功与小车速度的平方成正比．

答案：如【解析】所示

【变式训练】与打点计时器一样，光电计时器也是一种研究物体运动情况的常用计时器，其结构如图4－5—6甲所示，a、

b分别是光电门的激光发射和

接收装置，当有物体从a、b

间通过时，光电计时器可以显

示物体的挡光时间．

甲乙

图4－5－6