【物理】2020届一轮复习人教版实验五探究动能定理学案(1) 6页

实验五　探究动能定理 目录 课前预习·基础落实 课堂互动·考点突破 课前预习·基础落实 ‎【实验目的】‎ 探究外力做功与物体动能变化的关系。‎ ‎【实验原理】‎ 实验装置如图实Ⅴ－1所示，在砝码盘中加放砝码并释放砝码盘，小车将在砝码盘对它的拉力作用下做匀加速直线运动。在打出的纸带上适当间隔地取两个点A、B，用平均速度的方法确定出A、B两点速度vA、vB，求出此过程中物体动能的变化量为ΔEk，测量这段过程中物体运动的距离x，算出拉力做的功W，通过比较W和ΔEk的值，就可以找出两者之间的关系。‎ ‎ ‎ ‎【实验器材】‎ 长木板(一端带滑轮)、刻度尺、打点计时器、纸带、导线、电源、小车、细线、砝码盘、砝码、天平。‎ ‎【实验步骤】‎ ‎1．用天平测出小车质量及砝码盘的质量，记录小车的质量M及砝码盘的质量m。‎ ‎2．按图安装实验器材，只是不要挂砝码；要调整定滑轮的高度，使细线与木板平行。‎ ‎3．平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫薄木块，并反复移动其位置，直到小车在斜面上匀速运动为止。‎ ‎4．挂上砝码(要使小车的质量远大于砝码的质量)，接通电源，放开小车，打点计时器就在纸带上打下一系列的点，取下纸带并标记使用的砝码质量。‎ ‎5．重复步骤4，打2～3条纸带。‎ ‎6．改变砝码盘中砝码的个数，重复步骤4、5，再做几次实验。‎ ‎【数据处理】‎ 从每次实验中选取点迹清晰的纸带，选取计数点A、B，进行测量运算，填入下表：‎ 根据实验数据得出结论。‎ ‎【注意事项】‎ ‎1．砝码的质量要远小于小车的质量。‎ ‎2．平衡摩擦力时，不要加砝码，但应连接纸带且接通电源。‎ ‎3．小车所受的阻力f应包括小车受的摩擦力和打点计时器对小车后所拖纸带的摩擦力。‎ ‎4．小车应靠近打点计时器，并且要先接通电源后再放手。‎ ‎【误差分析】‎ ‎1．实验的系统误差是绳对小车的拉力小于砝码的重力。‎ ‎2．平衡摩擦力不彻底或平衡过了也会造成误差。‎ ‎3．利用打上点的纸带计算小车的速度时，测量不准带来误差。‎ 课堂互动·考点突破 考点一　对实验原理的理解 ‎[例1]　 (广州模拟)某研究性学习小组做探究“橡皮筋做的功和物体速度变化的关系”的实验，实验开始前，他们提出了以下几种猜想：①W∝，②W∝v，③W∝v2。实验装置如图实Ⅴ－2甲所示，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。当我们用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。小车在实验中获得的速度由打点计时器所打的纸带测出。‎ ‎(1)实验时为了使小车相当于只在橡皮筋作用下运动，应采取的措施是___________________；‎ ‎(2)每次实验得到的纸带上的点并不都是均匀的，为了计算出小车获得的速度，应选用纸带的________部分进行测量；‎ ‎(3)同学们设计了以下表格来记录数据。其中W1、W2、W3、W4…表示橡皮筋对小车做的功，v1、v2、v3、v4…表示小车每次获得的速度。‎ 他们根据实验数据绘制了如图乙所示的W－v图象，由图象形状得出结论W∝v2。他们的做法是否合适？请说明理由：__________________________。‎ ‎[解析]　‎ ‎(1)小车运动过程中要受到摩擦力等阻力的作用，为抵消阻力的作用，可将木板的一端适当垫高，设倾角为θ，只要满足F阻＝mgsin θ，便可认为小车只在橡皮筋作用下运动。‎ ‎(2)小车在橡皮筋作用下做加速运动，橡皮筋作用完后小车做匀速运动，此时纸带上的打点间距应是均匀的。‎ ‎(3)因为W－v图象是曲线，不能确定W与v2的函数关系，所以不合适。‎ ‎[答案]　‎ ‎(1)把木板的末端垫起适当高度以平衡摩擦力 ‎(2)点距均匀 ‎(3)不合适。由曲线不能直接确定W、v2的函数关系，应进一步绘制W－v2图象 ‎[点评]‎ ‎(1)实验中要通过倾斜木板平衡摩擦力，这与探究加速度与力、质量关系中平衡摩擦力的原因是一样的。‎ ‎(2)计算小车的速度时，应选纸带上点距均匀的部分进行测量。‎ 针对训练：‎ ‎(福建)在“探究恒力做功与动能改变的关系”实验中(装置如图实Ⅴ－3)：‎ ‎(1)下列说法哪一项是正确的________。(填选项前字母)‎ A．平衡摩擦力时必须将钩码通过细线挂在小车上 B．为减小系统误差，应使钩码质量远大于小车质量 C．实验时，应使小车靠近打点计时器由静止释放 ‎(2)图实Ⅴ－4是实验中获得的一条纸带的一部分，选取O、A、B、C计数点，已知打点计时器使用的交流电频率为50 Hz，则打B点时小车的瞬时速度大小为________m/s(保留三位有效数字)。‎ 解析　‎ ‎(1)平衡摩擦力是让小车重力的下滑分力与摩擦力平衡，故不能挂钩码平衡摩擦力，选项A错误；本实验中，近似认为小车所受拉力等于钩码的重力，因此应使钩码的质量远小于小车的质量，选项B错误；实验时，为充分利用纸带，应使小车靠近打点计时器由静止释放，选项C正确。‎ ‎(2)vB＝＝ m/s＝‎0.653 m/s。‎ 答案　(1)C　(2)0.653‎ 考点二　实验数据的处理 ‎[例2]　如图实Ⅴ－5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)除了图中的已给出的实验器材外，还需要的器材有 ______；‎ ‎(2)平衡摩擦后，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；‎ ‎(3)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；‎ ‎(4)从理论上讲，橡皮筋做的功Wn和物体速度vn变化的关系应是Wn∝________，请你根据表中测定的数据在如图实Ⅴ－6所示的坐标系中作出相应的图象验证理论的正确性。‎ ‎[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)小车匀速运动时，纸带上的点的间隔均匀。‎ ‎(3)橡皮筋每增加一条，对小车做的功就增加W。‎ ‎(4)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－Wn图象，如图所示。‎ ‎[答案]　(1)刻度尺　(2)点距均匀　(3)2W　3W　4W　5W　(4)v　图见解析 考点三　实验创新设计 ‎1．实验装置的改进 ‎[例3]　 (江西模拟)某学习小组利用如图实Ⅴ－7所示的装置验证动能定理。‎ ‎(1)将气垫导轨调至水平，安装好实验器材，从图中读出两光电门中心之间的距离s＝________cm；‎ ‎(2)测量挡光条的宽度d，记录挡光条通过光电门1和2所用的时间Δt1和Δt2，并从拉力传感器中读出滑块受到的拉力F，为了完成实验，还需要直接测量的一个物理量是________；‎ ‎(3)该实验是否需要满足砝码盘和砝码的总质量远小于滑块、挡光条和拉力传感器的总质量？________(填“是”或“否”)‎ ‎[解析]　‎ ‎(1)由图可知，s＝‎70.30 cm－‎20.30 cm＝ ‎50.00 cm。‎ ‎(2)要应用滑块验证动能定理，应有关系式：‎ Fs＝M－M 故还应测量滑块、挡光条和拉力传感器的总质量M。‎ ‎(3)因拉力传感器直接测出滑块所受的合外力，并不是用砝码和砝码盘的总重力代替合外力做实验，故没有必要满足砝码和砝码盘的总质量远小于滑块、挡光条和拉力传感器的总质量。‎ ‎[答案]　(1)50.00　(2)滑块、挡光条和拉力传感器的总质量M　(3)否 ‎[小结]　为减小实验误差，本实验装置从以下三个方面进行改进：‎ ‎(1)减小摩擦阻力：用气垫导轨代替木板。‎ ‎(2)速度的测量：用光电门代替打点计时器。‎ ‎(3)拉力的测定：用力传感器测定力的大小。‎ ‎2．实验原理的迁移应用 ‎[例4]　某实验小组利用如图实Ⅴ－8所示装置，探究木块在木板上滑动至停止的过程中，摩擦力做的功与木块滑上木板时初速度的关系，实验步骤如下：‎ A．将弹簧左端固定在平台上，右端自然伸长到平台右侧O点，木板紧靠平台，其上表面与P、O在同一水平面上。使木块压缩弹簧自由端至P点后由静止释放，木块最终停在木板上的B点，记下P点并测出OB间的距离L。‎ B．去掉木板再使木块压缩弹簧自由端至P点并由静止释放，测出木块做平抛运动的水平位移x。‎ C．改变由静止释放木块的位置，以获取多组L、x数据。‎ D．用作图象的办法，探求L与x的关系，得出结论。‎ ‎(1)A、B两步中，均使弹簧压缩到同一点P的目的是_________________________；‎ ‎(2)本实验中，是否必须测出图中h的具体数值？________(填“是”或“否”)；‎ ‎(3)实验小组根据测得的数据，作出L－x2图象如图实Ⅴ－9所示，据此，实验小组便得出结论：摩擦力对木块做的功与木块滑上木板时的初速度平方成正比。请写出其推理过程：_____________________。‎ ‎[解析]　‎ ‎(1)实验中要保证木块滑至O点的速度不变，A、B两步中，均使弹簧压缩到同一点P的目的是保证木块做平抛运动的初速度与木块滑上木板时的初速度相等；‎ ‎(2)木块离开平台后做平抛运动，由于抛出点的高度一定，木块在空中的运动时间相等，木块的水平位移与木块做平抛运动的初速度成正比，实验中不需要测出平台的高度h；‎ ‎(3)设木块做平抛运动的初速度为v，运动时间为t，则木块的水平位移x＝vt，则x2∝v2，由图象知L∝x2，所以L∝v2，而W＝fL，f恒定，故有W∝L∝v2。‎ ‎[答案]　(1)保证木块做平抛运动的初速度与木块滑上木板时的初速度相等　(2)否　(3)见解析