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2019-2020年高中物理 實驗探究動能定理 驗證機械能守恒定律練習 新人教版 一．實驗目的 1．通過實驗探究外力對物體做功與物體速度的關系． 2．通過實驗數(shù)據(jù)分析，總結出做功與物體速度平方的正比關系． 二．實驗原理 1．不是直接測量對小車做功，而是通過改變橡皮筋條數(shù)確定對小車做功W、2W、3W…… 2．由于橡皮筋做功而使小車獲得的速度可以由紙帶和打點計時器測出，也可以用其他方法測出．這樣，進行若干次測量，就得到若干組功和速度的數(shù)據(jù)． 3．以橡皮筋對小車做的功為縱坐標，小車獲得的速度為橫坐標，作出W－v曲線，分析這條曲線，可以得知橡皮筋對小車做的功與小車獲得的速度的定量關系． 三．實驗器材 小車(前面帶小鉤)、100 g～200 g砝碼、長木板，兩側適當?shù)膶ΨQ位置釘兩個鐵釘、打點計時器及紙帶、學生電源及導線(使用電火花計時器不用學生電源)、5～6條等長的橡皮筋、刻度尺． 四．實驗步驟 1．儀器安裝：將實驗儀器安裝好，同時平衡摩擦力． 2．打紙帶及記錄 （1）先用一條橡皮筋做實驗，用打點計時器和紙帶測出小車獲得的速度v1，設此時橡皮筋對小車做的功為W1，將這一組數(shù)據(jù)記入表格． （2）用2條橡皮筋做實驗，實驗中橡皮筋拉伸的長度與第一次相同，這樣橡皮筋對小車做的功為W2，測出小車獲得的速度v2，將數(shù)據(jù)記入表格． （3）用3條、4條……橡皮筋做實驗，用同樣的方法測出功和速度，記入表格． 3．數(shù)據(jù)分析 （1）分析數(shù)據(jù)，得出結論．1)測量小車的速度：實驗獲得如圖所示的紙帶，為探究橡皮筋彈力做功和小車速度的關系，需要測量彈力做功結束時小車的速度，即小車做勻速運動的速度，應在紙帶上測量的物理量是(用字母表示)：A1、A2間的距離x，小車速度的表達式是(用測量的物理量表示)v＝ (T為打點計時器的時間間隔)． (2)實驗數(shù)據(jù)記錄 橡皮筋條數(shù) 力對車做的功 位移x/m 時間t/s 速度v/(ms－1) 速度平方v2/(m2s－2) 1 W 2 2W 3 3W 4 4W 5 4W 6 6W (3)實驗數(shù)據(jù)處理及分析：在坐標紙上畫出W－v和W－v2圖線(“W”以一根橡皮筋做的功為單位)． (4)實驗結論：從圖象可知功與物體速度變化的關系W∝v2. 五．注意事項 1．平衡摩擦力：實驗中的小車不可避免地要受到摩擦力的作用，摩擦力對小車做負功，我們研究的是橡皮筋做的功與物體速度的關系，應設法排除摩擦力的影響，可采用將木板一端墊高的方法來實現(xiàn)．將木板一端墊高，使重力沿斜面方向的分力與摩擦力平衡，就能消除摩擦力的影響．判斷已平衡掉摩擦力的方法是，輕推一下小車，觀察小車不受其他力時能在木板上做勻速運動． 2．我們用2條，3條橡皮筋進行第2次、第3次實驗時，每次實驗時橡皮筋伸長的長度都應保持一致． 3．實驗數(shù)據(jù)處理時，以橡皮筋對小車做的功W為縱坐標，小車獲得的速度為橫坐標，以第一次實驗時的功W為單位，作出W－v以及W－v2圖象，分析圖線，可以得知橡皮筋對小車做的功W與小車獲得的速度v2的定量關系． 4．打點計時器打出的紙帶上相鄰各點的間距并不均勻，應選間距均勻的那一段紙帶來計算小車的速度，因為這一段是橡皮筋對小車做功完畢時的情形． 六．誤差分析 為減小本實驗的實驗誤差，要注意以下幾個方面的問題： 1．在長木板上，小車、鐵釘、打點計時器的位置應調整適當，以保證打在紙帶上的點便于處理，求出小車運動的速度． 2．平衡摩擦力時，可使木板略微傾斜，作為補償，保證小車脫離橡皮筋后做勻速運動． 3．小車的質量較小，當用多條橡皮筋時，打出的點過少，應改用質量稍大的小車(或加砝碼)，以保證打出較多的點便于處理． 題型1實驗原理及操作注意事項： 【例1】 關于“探究動能定理”的實驗中，下列敘述正確的是(　　) A．每次實驗必須設法算出橡皮筋對小車做功的具體數(shù)值 B．每次實驗中，橡皮筋拉伸的長度沒有必要保持一致 C．放小車的長木板應該盡量使其水平 D．先接通打點計時器電源，再讓小車在橡皮筋的作用下彈出 解析：本實驗沒有必要測出橡皮筋做的功到底是多少焦耳，只要測出以后各次實驗時橡皮筋做的功是第一次實驗時的多少倍就已經(jīng)足夠了，A錯．每次實驗橡皮筋拉伸的長度必須保持一致，只有這樣才能保證以后各次實驗時，橡皮筋做的功是第一次實驗時的整數(shù)倍，B錯．小車運動中會受到阻力，只有使木板傾斜到一定程度，才能減小誤差，C錯，實驗時，應該先接通電源，讓打點計時器開始工作，然后再讓小車在橡皮筋的作用下彈出，D正確． 答案：D 題型2數(shù)據(jù)處理及實驗結論 【例2】 為了探究恒力作用時的動能定理，某同學做了如下實驗，他讓滑塊在某一水平面上滑行，利用速度采集器獲取其初速度v，并測量出不同初速度的最大滑行距離x，得到下表所示幾組數(shù)據(jù)： 數(shù)據(jù)組 1 2 3 4 5 6 v/(ms－1) 0 0.16 0.19 0.24 0.30 0.49 x/m 0 0.045 0.075 0.111 0.163 0.442 (1)一同學根據(jù)表中數(shù)據(jù)，作出x－v圖象如圖甲所示，觀察該圖象，該同學作出如下推理：根據(jù)x－v圖象大致是一條拋物線，可以猜想，x可能與v2成正比．請在圖乙所示坐標紙上選擇適當?shù)淖鴺溯S作出圖線驗證該同學的猜想． (2)根據(jù)你所作的圖象，你認為滑塊滑行的最大距離x與滑塊初速度平方v2的關系是_____________________________________________． 解析：(1)做出x－v2圖線如圖所示 (2)由圖可以看出，滑塊滑行的最大距離x與滑塊初速度平方v2成正比．即：x∝v2. 拓展探究 【例3】 在探究恒力做功與動能改變的關系實驗中，某實驗小組采用如圖所示的實驗裝置和實驗器材． (1)為了用細線的拉力表示小車受到的合外力，可以改變木板的傾角，使重力的一個分力平衡小車及紙帶受到的摩擦力．簡要說明你平衡摩擦力的實驗判斷方法__________________________. (2)用沙和沙桶的重力大小來表示小車受到的合外力，必須滿足的條件是 ． (3)除實驗裝置中的儀器外，還需要的測量儀器有_____________________． (4)如圖為實驗中打出的一條紙帶，現(xiàn)選取紙帶中的A、B兩點來探究恒力做功與動能改變的關系．已知打點計時器的打點周期為T，重力加速度為g.請你用字母表示需要測量的物理量，說明其物理意義(用文字說明或在圖中標明)，并把探究結果的表達式寫出來． 解析：(1)在長木板的右端放一個小木楔，移動木楔的位置以改變木板的傾角，在不掛砂桶的情況下，給小車一個初速度，如果打出的紙帶點跡均勻，可認為已平衡摩擦力． (2)沙和沙桶的總質量應遠遠小于小車的質量 (3)刻度尺、天平 (4)需要測量的物理量有：砂和砂桶的總質量m，小車的質量M，如圖所示的三段位移x1、x2和x，對應A點的速度vA＝ ，B點的速度為vB＝，恒力做功與動能改變的表達式為：mgs＝ . 實驗 驗證機械能守恒定律 題型1實驗原理及操作步驟 【例1】關于驗證機械能守恒定律實驗，下面列出一些實驗步驟： A．用天平稱出重物和夾子的質量　 B．將重物系在夾子上 C．將紙帶穿過打點計時器，上端用手提著，下端夾在系有重物的夾子上，再把紙帶向上拉，讓夾子靜止靠近打點計時器處 D．把打點計時器接在學生電源的交流輸出端，把輸出電壓調至6 V(電源暫不接通) E．把打點計時器用鐵夾固定在放在桌邊的鐵架臺上，使兩個限位孔在同一豎直線上 F．在紙帶上選取幾個點，進行測量并記錄數(shù)據(jù) G．用秒表測出重物下落時間 H．接通電源，待打點計時器工作穩(wěn)定后釋放紙帶 I．切斷電源 J．更換紙帶，重新進行兩次實驗 K．在三條紙帶中，選出較好的一條 L．進行計算，得出結論，完成實驗報告 M．拆下導線，整理器材 對于本實驗以上步驟中，不必要的有________；正確步驟的合理順序是 ________(填寫代表字母)． 解析：根據(jù)實驗原理和操作步驟可知不必要的有A、G；正確步驟的合理順序是E、D、B、C、H、I、J、K、F、L、M. 答案：A、G　EDBCHIJKFLM 題型2數(shù)據(jù)處理及誤差分析 【例2】在用打點計時器驗證機械能守恒定律的實驗中，質量m＝1.00 kg的重物自由下落，打點計時器在紙帶上打出一系列點．如圖所示為選取的一條符合實驗要求的紙帶，O為第一個點(速度恰好為零)，每兩個計數(shù)點之間還有四個點未畫出，選連續(xù)的3個計數(shù)點A、B、C作為測量的點，如圖所示，經(jīng)測量知道A、B、C各點到O點的距離分別為50.50 cm、86.00 cm、130.50 cm.已知打點計時器每隔0.02 s打一次點，當?shù)氐闹亓铀俣萭＝9.80 m/s2. 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可計算出打B點時的速度vB＝________ m/s；重物由O點運動到B點，重力勢能減少了________ J，動能增加了________ J．根據(jù)所測量的數(shù)據(jù)，還可以求出物體實際下落的加速度為________ m/s2，物體在從A到B下落的過程中所受到的平均阻力為________ N(計算結果都要保留3位有效數(shù)字)，該阻力的來源主要有： (1)___________________________________________________________； (2)___________________________________________________________． 解析：由于每兩個相鄰計數(shù)點之間還有4個點沒有畫出，所以每兩個相鄰計數(shù)點之間的時間間隔為0.1 s，同時可求得： AB＝86.00 cm－50.50 cm＝35.50 cm＝0.355 0 m BC＝130.50 cm－86.00 cm＝44.50 cm＝0.445 0 m v中＝ 即vB＝4.00 m/s 由O點運動到B點下落的距離為：sOB＝86.00 cm＝0.86 m，重力勢能減少了EpB＝mgh＝1.009.800.86 J＝8.43 J．根據(jù)求得的B點速度可得重物由O點運動到B點動能增加了ΔEkOB＝mv2＝1.00(4.00)2J＝8.00J．由Δx＝aT2可求得紙帶下落的加速度a＝ ＝m/s2＝9.00 m/s2.根據(jù)牛頓第二定律得：mg－f＝ma.從A到B下落的過程中所受到的平均阻力為f＝mg－ma＝1.009.80 N－1.009.00 N＝0.800 N 分析紙帶受到的力有：重力、重物受到的空氣阻力、紙帶與限位之間的摩檫力的作用，所以阻力的來源是以上除重力之外的力。 答案：4.00 8.43 8.00 9.00 0.800 （1）重力受到的空氣阻力 （2）紙帶與限位孔之間的摩檫力 拓展探究 【例3】某實驗小組利用如圖所示的實驗裝置來驗證鉤碼和滑塊所組成的系統(tǒng)機械能守恒． (1)實驗前需要調整氣墊導軌底座使之水平，利用現(xiàn)有器材如何判斷導軌是否水平？_________. (2)如圖所示(經(jīng)放大后的)，游標卡尺測得遮光條的寬度d＝________ cm；實驗時將滑塊從圖示位置由靜止釋放，由數(shù)字計時器讀出遮光條通過光電門的時間Δt＝1.210－2s，則滑塊經(jīng)過光電門時的瞬時速度為________ m/s.在本次實驗中還需要測量的物理量有：鉤碼的質量m、________和________(文字說明并用相應的字母表示)． (3)本實驗通過比較________和________在實驗誤差允許的范圍內(nèi)是否相等(用測量的物理量符號表示)，從而驗證系統(tǒng)的機械能守恒． 解析：本題以創(chuàng)新的物理情景來考查驗證機械能守恒定律的實驗，同時考查游標卡尺的讀數(shù)．游標尺的讀數(shù)為d＝5mm＋0.1mm2＝5.2mm＝0.52cm；滑塊通過光電門時的瞬時速度為v＝m/s＝0.43 m/s；系統(tǒng)重力勢能的減少量為mgs，系統(tǒng)動能的增加量為 . 答案：(1)接通氣源，將滑塊靜置于氣墊導軌上，若滑塊基本保持靜止，則說明導軌是水平的(或取下鉤碼，輕推滑塊，滑塊基本能做勻速直線運動)． (2)0.52　0.43　滑塊上的遮光條初始位置到光電門的距離s　滑塊的質量M (3)mgs