第五章实验四 探究动能定理

实验四探究动能定理

[学生用书P86])

【基本要求】

一、实验目的

通过实验探究外力对物体做功与物体速度的关系．

二、实验原理

探究功与速度变化的关系，可用如实验原理图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，最后通过数据分析得出速度变化与功的关系．

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．垫高木板的一端，平衡摩擦力．

2．拉伸的橡皮筋对小车做功：

(1)用一条橡皮筋拉小车——做功W；

(2)用两条橡皮筋拉小车——做功2W；

(3)用三条橡皮筋拉小车——做功3W.

3．测出每次做功后小车获得的速度v.

4．分别用各次实验测得的v和W绘制W－v或W－v2、W－v3……图象，直到明确得出W和v的关系．

五、实验结论

物体速度v与外力做功W间的关系为W∝v2.

【方法规律】

一、数据处理

1．求小车的速度：利用纸带上点迹均匀的一段测出两点间的距离x，则v＝x

T(其中T为打点周期)．

2．实验数据处理：在坐标纸上画出W－v和W－v2图象(“W”以一根橡皮筋做的功为单位)．根据图象得出W∝v2.

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，测量不准带来的误差．

三、注意事项

1．平衡摩擦力的方法是轻推小车，由打在纸带上的点是否均匀判断小车是否匀速运动．2．测小车速度时，应选纸带上点均匀分布的部分．

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．

对实验原理和误差分析的考查[学生用书P87]

(高考天津卷)某同学把附有滑轮的长木板平放在实验桌上，将细绳一端拴在小车上，另一端绕过定滑轮，挂上适当的钩码，使小车在钩码的牵引下运动，以此定量探究绳拉力做功与小车动能变化的关系．此外还准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸、纸带、小木块等．组装的实验装置如图所示．

(1)若要完成该实验，必需的实验器材还有哪些________________．

(2)实验开始时，他先调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的细绳与木板平行．他这样做的目的是下列的哪个________(填字母代号)．

A．避免小车在运动过程中发生抖动

B．可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰

C．可以保证小车最终能够实现匀速直线运动

D．可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力

(3)平衡摩擦力后，当他用多个钩码牵引小车时，发现小车运动过快，致使打出的纸带上点数较少，难以选到合适的点计算小车速度．在保证所挂钩码数目不变的条件下，请你利用本实验的器材提出一个解决方法：__________________________________________________ ________________________________________________________________________.

(4)他将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功，经多次实验发现拉力做功总是要比小车动

能增量大一些．这一情况可能是下列哪些原因造成的________(填字母代号)．A．在接通电源的同时释放了小车

B．小车释放时离打点计时器太近

C．阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平衡掉

D．钩码做匀加速运动，钩码重力大于细绳拉力

[解析](1)实验要处理纸带测速度，需要刻度尺，要分析动能的变化，必须要测出小车的质量，因此还需要天平．

(2)实验中调节定滑轮高度，使细绳与木板平行，可在平衡摩擦力后使细绳的拉力等于小车所受的合力，如果不平行，细

绳的拉力在垂直于木板的方向上就有分力，改变了摩擦力就不能使细绳拉力等于小车所受的合力，D正确．

(3)在所挂钩码个数不变的情况下，要减小小车运动的加速度，可以增大小车的质量，即可在小车上加适量的砝码(或钩码)．

(4)如果用钩码重力做的功当作细绳拉力做的功，发现拉力做的功总比小车动能的增量大，原因可能是阻力未被完全平衡掉，因此拉力做功一部分用来增大小车动能，一部分用来克服阻力做功；也可能是小车做加速运动，因此细绳的拉力小于钩码的重力，钩码的重力做的功大于细绳的拉力做的功，即大于小车动能的增量，C、D项正确．

[答案](1)刻度尺、天平(包括砝码)(2)D

(3)可在小车上加适量的砝码(或钩码)(4)CD

对实验操作和数据处理的考查[学生用书P87]

光电计时器是研究物体运动情况时常用的一种计时仪器，其结构如图甲所示，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，光电计时器就可以显示物体的挡光时间，如图乙所示，气垫导轨是常用的一种实验仪器，它利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫，使滑块悬浮在导轨上，滑块与导轨间可视为没有摩擦．某实验小组利用如图乙所示的实验装置来探究“做功与物体动能改变量的关系”，实验前要调整气垫导轨底座水平，用游标卡尺测得遮光条的宽度为d，实验时滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Δt，当地重力加速度为g.

(1)如图丙所示，某同学用游标卡尺测得遮光条的宽度d ＝________cm.用天平测得滑块与遮光条的总质量为M 、钩码的质量为m

.

(2)实验前需要调整气垫导轨底座使之水平，实验时将滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门所用时间为Δt ＝1.2×10－

2 s ，则滑块经过光电门时的瞬时速度为(用游标卡尺的测量结果计算)________m/s.

(3)在本次实验中为了确保细线拉力所做的功与钩码重力做的功近似相等，则滑块与遮光条的总质量M 、钩码的质量m 间应满足________；本实验中还需要测量的物理量是________(用文字说明并用相应的字母表示)．

(4)本实验中可通过改变钩码的质量测得多组数据并建立

1（Δt ）2－m 关系图来进行验证，则下列图象中符合真实实验情况的是________．

[解析] (1)由游标卡尺读数规则可得遮光条的宽条d ＝5 mm ＋0.05 mm ×8＝0.540 cm.

(2)滑块经过光电门时的瞬时速度为v ＝d Δt ＝0.540×10－2

1.2×10－2

m/s ＝0.45 m/s. (3)令细线拉力为T ，则有T ＝Ma 及mg －T ＝ma ，T ＝M M ＋m mg ＝mg 1＋m M ，所以只有满足M ≫m 时，细线拉力所做的功与钩码重力做的功才近似相等，细线拉力做的功为W ＝mgs ，即需要测定滑块上的遮光条初位置到光电门的距离s .