(江蘇專用)2020版高考物理新增分大一輪復(fù)習(xí) 第五章 機械能 實驗四 探究動能定理講義(含解析).docx
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實驗四 探究動能定理 1.實驗?zāi)康? 探究功與物體速度變化的關(guān)系. 2.實驗原理(如圖1所示) 圖1 (1)一根橡皮筋作用在小車上移動距離s——做功為W. (2)兩根橡皮筋作用在小車上移動距離s——做功應(yīng)為2W. (3)三根橡皮筋作用在小車上移動距離s——做功應(yīng)為3W. (4)利用打點計時器求出小車離開橡皮筋的速度,列表、作圖,由圖象可以確定功與速度變化的關(guān)系. 3.實驗器材 橡皮筋、小車、木板、打點計時器、紙帶、鐵釘?shù)龋? 4.實驗步驟 (1)墊高木板的一端,平衡摩擦力. (2)拉伸的橡皮筋對小車做功: ①用一條橡皮筋拉小車——做功W. ②用兩條橡皮筋拉小車——做功2W. ③用三條橡皮筋拉小車——做功3W. (3)測出每次做功后小車獲得的速度. (4)分別用各次實驗測得的v和W繪制W-v或W-v2、W-v3……圖象,直到明確得出W和v的關(guān)系. 5.實驗結(jié)論 物體速度v與外力做功W間的關(guān)系W=mv2. 6.實驗注意事項 (1)將木板一端墊高,使小車的重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡.方法是輕推小車,由打點計時器打在紙帶上的點的均勻程度判斷小車是否做勻速運動,找到長木板的一個合適的傾角. (2)測小車速度時,應(yīng)選紙帶上的點跡均勻的部分,也就是選小車做勻速運動的部分. (3)橡皮筋應(yīng)選規(guī)格一樣的.力對小車做的功以一條橡皮筋做的功為單位即可,不必計算出具體數(shù)值. (4)小車質(zhì)量應(yīng)大一些,使紙帶上打的點多一些. 7.實驗探究的技巧與方法 (1)不直接計算W和v的數(shù)值,而只是看第2次、第3次……實驗中的W和v是第1次的多少倍,簡化數(shù)據(jù)的測量和處理. (2)作W-v圖象,或W-v2、W-v3……圖象,直到作出的圖象是一條傾斜的直線. 命題點一 教材原型實驗 例1 (2018淮安市、宿遷市等期中)用圖2甲所示裝置探究“做功與物體速度變化的關(guān)系”,A、B是固定在長直木板上的兩個鐵釘.實驗時,小車在橡皮筋的作用下彈出,沿木板滑行,通過改變橡皮筋的條數(shù)改變做功的多少,再根據(jù)紙帶上的打點確定小車對應(yīng)運動的速度,進而探究做功與物體速度變化的關(guān)系. 圖2 (1)關(guān)于該實驗的下列說法中,正確的有________. A.需要測出小車的質(zhì)量m B.需要選擇相同的橡皮筋進行實驗 C.需要測出每根橡皮筋對小車所做的功W D.改變橡皮筋條數(shù)時小車必須從同一位置由靜止釋放 (2)實驗中得到一根紙帶如圖乙所示,1、2、3…是按時間先后順序標出的計數(shù)點(每兩個相鄰計數(shù)點間還有4個打點未畫出),造成圖乙各計數(shù)點間距不相等的原因可能是________.由圖乙所示的紙帶可知,該小車達到最大速度時,橡皮筋的伸長量________(選填“大于零”或“等于零”). (3)該小組用新、舊兩組橡皮筋分別做實驗,正確實驗操作得到橡皮筋的條數(shù)n與小車對應(yīng)速度v的多組數(shù)據(jù),作出v2-n的圖象如圖丙中的C、D所示,則用新橡皮筋得出的圖象是________(選填“C”或“D”),根據(jù)該圖象可以得出的結(jié)論是________. 答案 (1)BD (2)沒有平衡摩擦或是沒有完全平衡摩擦 大于零 (3)C v2與n成正比(或v2與橡皮筋對小車所做的功成正比) 解析 (1)此實驗要驗證的是W=mv2,即W∝v2,則此實驗中不需要測出小車的質(zhì)量m,選項A錯誤;為了保證每條橡皮筋對小車做的功都一致,實驗中需要選擇相同的橡皮筋進行實驗,選項B正確;實驗中不需要測出每根橡皮筋對小車所做的功W,選項C錯誤;改變橡皮筋條數(shù)時小車必須從同一位置由靜止釋放,選項D正確. (2)實驗中若平衡了摩擦力,則小車在橡皮筋的作用下先加速運動,脫離橡皮筋后做勻速運動,則造成題圖乙各計數(shù)點間距不相等的原因可能是沒有平衡摩擦或是沒有完全平衡摩擦;由題圖乙所示的紙帶可知,由于沒有平衡摩擦力或沒有完全平衡摩擦,該小車達到最大速度時,加速度為零,此時橡皮筋仍有彈力,即伸長量不為零. (3)舊橡皮筋的彈力小于新橡皮筋,則用同樣數(shù)量的新、舊橡皮筋做實驗時,新橡皮筋使小車得到的速度較大,由圖象可知用新橡皮筋得出的圖象是C,根據(jù)該圖象可以得出的結(jié)論是:v2與n成正比(或v2與橡皮筋對小車所做的功成正比). 命題點二 實驗創(chuàng)新 1.做功方式的創(chuàng)新 2.測量方式的創(chuàng)新 例2 (2018蘇錫常鎮(zhèn)二模)某同學(xué)用圖3甲所示的實驗裝置探究“恒力做功與小車動能變化的關(guān)系”. 圖3 (1)為了能用砂和砂桶的總重力所做的功表示小車所受拉力做的功,本實驗中小車質(zhì)量M________(填“需要”或“不需要”)遠大于砂和砂桶的總質(zhì)量m. (2)圖乙為實驗得到的一條清晰的紙帶,A、B、C、D、E、F、G是紙帶上7個連續(xù)的點,sAD=________cm.已知電源頻率為50Hz,則打點計時器在打D點時紙帶的速度v=_______m/s (計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字). (3)該同學(xué)畫出小車動能變化與拉力對小車所做的功的ΔEk-W關(guān)系圖象,由于實驗前遺漏了平衡摩擦力這一關(guān)鍵步驟,他得到的實驗圖線(實線)應(yīng)該是________. 答案 (1)需要 (2)2.10 0.50 (3)D 變式 (2018鹽城市三模)某同學(xué)利用如圖4所示的氣墊導(dǎo)軌裝置探究“恒力做功與物體動能變化間的關(guān)系”.在氣墊導(dǎo)軌上安裝了光電門,滑塊上固定寬度為d的遮光條,用細線繞過定滑輪將質(zhì)量為M=200g的滑塊(含遮光條)與質(zhì)量為m=30g的重物相連,細線與導(dǎo)軌平行.實驗時滑塊每次都從同一位置A處由靜止釋放,用x表示滑塊從靜止開始到通過光電門的位移大小,用t表示遮光條通過光電門的時間.改變光電門在氣墊導(dǎo)軌上的位置,測量不同x所對應(yīng)遮光條通過光電門的時間t,再分別計算拉力做的功W和滑塊通過光電門時的動能Ek. 圖4 (1)實驗前調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平的目的是___________________________. (2)將重物的重力視為滑塊受到的拉力,取g=9.80m/s2,用W=mgx計算出拉力對滑塊做的功W,并計算出滑塊動能增量ΔEk.計算結(jié)果見下表: W/10-3J 7.35 8.82 10.29 11.76 13.23 14.70 ΔEk/10-3J 6.39 7.67 8.95 10.23 11.50 12.78 (W-ΔEk)/10-3J 0.96 1.15 1.34 1.53 1.73 1.92 ①實驗結(jié)果表明,ΔEk總是小于W.你認為這是________(選填“偶然”或“系統(tǒng)”)誤差,簡要說明你的理由:________________________________________________. ②進一步研究表明,拉力對小車做的功W和小車動能增量ΔEk的差值(W-ΔEk)隨x增大而增大,用題中滑塊和重物的質(zhì)量可計算出(W-ΔEk)與x的比值=________N.(計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 答案 (1)保證滑塊重力不做功 (2)①系統(tǒng) ΔEk總是小于W,而不是或大或小,是系統(tǒng)誤差?、?.038 命題點三 實驗拓展——用動能定理測動摩擦因數(shù) 例3 (2018南京師大附中5月模擬)某研究小組設(shè)計了一種“用一把刻度尺測量質(zhì)量為m的小物塊Q與平板P之間動摩擦因數(shù)”的實驗方案,實驗裝置如圖5甲所示. 圖5 AB是半徑足夠大的四分之一圓弧軌道,與水平固定放置P板的上表面BC在B點相切,C點在水平地面的垂直投影為C′.重力加速度為g.實驗步驟如下: ①用刻度尺測量BC長度為L和CC′高度為h; ②先不放置平板P(如圖乙)使圓弧AB的末端B位于C′的正上方,將物塊Q在A點由靜止釋放,在物塊Q落地處標記其落地點D; ③重復(fù)步驟②,共做10次; ④用半徑盡量小的圓將10個落地點圍住,用毫米刻度尺測量圓心到C′的距離s; ⑤放置平板P(如圖甲),將物塊Q由同一位置A由靜止釋放,在物塊Q落地處標記其落地點D′; ⑥重復(fù)步驟⑤,共做10次; ⑦用半徑盡量小的圓將10個落地點圍住,用毫米刻度尺測量圓心到C′的距離l. (1)實驗步驟③④的目的是____________________. (2)用實驗中的測量量表示:物塊Q滑到B點時的動能EkB=________. (3)物塊Q與平板P之間的動摩擦因數(shù)μ=________. (4)已知實驗測得的μ值與實際值不等,其原因除了實驗中測量的誤差之外,其他的原因可能是_______________________________(寫出一個可能的原因即可). 答案 (1)減小誤差 (2) (3) (4)見解析 解析 (1)實驗步驟③④的目的,是通過多次實驗減小實驗結(jié)果的誤差; (2)在不放平板P時,物塊從B點飛出做平拋運動,在水平方向上有s=vBt,在豎直方向上有h=gt2,解得EkB=mv=; (3)當(dāng)加上平板P時,物塊從C點飛出,做平拋運動,故EkC=mv=,根據(jù)動能定理可得-μmgL=mv-mv,解得μ=; (4)其原因除了實驗中測量的誤差之外,其他的可能是圓弧軌道存在摩擦,接縫B處不平滑,存在空氣阻力等. 1.(2019淮陰中學(xué)模擬)在“探究動能定理”的實驗中,某實驗小組采用如圖6甲所示的裝置,在水平氣墊導(dǎo)軌上安裝了兩個光電門M、N,滑塊上固定一遮光條,細線繞過定滑輪與滑塊、力傳感器相連,力傳感器下方懸掛鉤碼,已知遮光條的寬度為d,滑塊和遮光條的總質(zhì)量為m. 圖6 (1)接通氣源,滑塊從A位置由靜止釋放,讀出遮光條通過光電門M、N的時間分別為t1、t2,力傳感器的示數(shù)為F,改變鉤碼質(zhì)量,重復(fù)上述實驗. ①為探究在M、N間運動過程中細線拉力對滑塊做的功W和滑塊動量增量ΔEk的關(guān)系,還需要測量的物理量為______________________(寫出名稱及符號); ②利用實驗中直接測量的物理量表示需探究的關(guān)系式為______________________. (2)保持鉤碼的質(zhì)量不變,改變光電門N的位置,重復(fù)實驗,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出從M到N的過程中細線拉力對滑塊做的功W與滑塊到達N點時速度的二次方v2的關(guān)系圖象,如圖乙所示,則圖線的斜率表示____________________,圖線在橫軸上的截距表示_________________. (3)下列不必要的實驗操作和要求有________. A.測量鉤碼的質(zhì)量 B.調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平 C.調(diào)節(jié)滑輪細線與氣墊導(dǎo)軌平行 D.保證滑塊質(zhì)量遠大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量 答案 (1)①兩個光電門的間距L?、贔L=md2(-) (2) 滑塊經(jīng)過光電門M時速度的二次方 (3)AD 解析 (1)①實驗要求拉力F做的功,根據(jù)W=FL,需要測量兩個光電門的間距; ②拉力F做的功:W=FL, 通過兩個光電門的速度分別為:vM=、vN=; 故動能增加量為:ΔEk=mv-mv=md2(-); 故需要探究的關(guān)系式為:FL=md2(-); (2)根據(jù)動能定理,有:W=mv2-mv, 故W-v2圖象的斜率為, 當(dāng)W=0時,有:v2=v,故圖線在橫軸上的截距表示滑塊經(jīng)過光電門M時速度的二次方; (3)由于有力傳感器直接測量力的大小,故不需要測量鉤碼質(zhì)量,不需要保證滑塊質(zhì)量遠大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量,故A、D步驟不是必須的;調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平,可以保證合力等于拉力,故B步驟是必須的;調(diào)節(jié)滑輪細線與氣墊導(dǎo)軌平行,保證拉力水平,故C步驟是必須的. 2.(2018無錫市高三期末)利用圖7所示的實驗裝置“探究合力做功與動能變化的關(guān)系”. 圖7 (1)為了消除打點計時器和木板對小車阻力的影響,需要平衡阻力.關(guān)于該操作環(huán)節(jié),下列四種裝置圖中正確的是________. (2)甲小組同學(xué)正確平衡了阻力,選取的砝碼和盤的總質(zhì)量m遠小于小車的質(zhì)量M,取砝碼和盤的總重力值作為繩子的拉力值,按正確操作得到圖8所示的一條紙帶.在紙帶上選取三個連續(xù)計時點A、B、C,測得它們到靜止釋放的起始點O的距離分別為sA、sB、sC,打點計時器的工作頻率為f,已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間,從O到B的運動過程中,拉力對小車做功W=________,小車動能變化量ΔEk=________. 圖8 (3)乙小組同學(xué)也正確平衡了阻力,但并未保證選取的砝碼和盤的總質(zhì)量m遠小于小車的質(zhì)量M.在處理數(shù)據(jù)時,他們也取砝碼和盤的總重力值作為繩子的拉力值,并采用圖象法進行數(shù)據(jù)分析:在紙帶上選取多個計數(shù)點,測量靜止釋放的起始點O到每個計數(shù)點的距離,并計算出每個計數(shù)點對應(yīng)的小車速度v以及從O點到該計數(shù)點對應(yīng)的過程中繩子拉力所做的功W.他們作出的圖線為________. 答案 (1)B (2)mgsB (3)B 3.(2018鹽城中學(xué)質(zhì)檢)我國的第三艘航空母艦正在建造之中,其艦載機將采用彈射起飛方式,為了研究彈射器做功對飛機起飛速度的影響,某研究性學(xué)習(xí)小組用氣墊導(dǎo)軌,光電門等器材做了如下實驗: 圖9 A.用橡皮筋模擬彈射器,由于橡皮筋做的功不易測量,他們運用了一種叫做“倍分法”的思想:使用同種規(guī)格的橡皮筋,先后用一根、兩根、三根……去彈射滑塊,每次都將橡皮筋拉伸到同一位置釋放,這樣橡皮筋對滑塊做的功分別為W0、2W0、3W0……; B.如圖9所示,測量出滑塊彈射后遮光片通過光電門1的時間分別為t1、t2、t3、……; C.利用以上數(shù)據(jù)作出圖象,確定橡皮筋做功對滑塊彈射后的速度具體有什么影響. 請回答下列問題: (1)實驗前需要調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平:打開氣源之后,給滑塊一個初速度,使之向左運動,發(fā)現(xiàn)遮光片通過光電門1的時間小于通過光電門2的時間,為使氣墊導(dǎo)軌水平,應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌________(選填“左”或“右”)端升高適當(dāng)高度. (2)采用圖象法探究物理量間的規(guī)律時,需要選擇合適的坐標系以得到直線圖象,為了得到直線圖象,以彈力的功W為縱坐標,以________(選填“t2”“t”“t-1”或“t-2”)為橫坐標(t為遮光片通過光電門1的時間). (3)實驗發(fā)現(xiàn),總是很難得到比較標準的直線,研究小組分析了四種誤差原因,其中屬于系統(tǒng)誤差的是________. A.使用不同根數(shù)的橡皮筋彈射時,不同速度下空氣的阻力是不同的 B.使用不同根數(shù)橡皮筋實驗時,未能將橡皮筋拉至同一位置釋放 C.實驗所用的橡皮筋沒有做的規(guī)格真正相同,勁度系數(shù)略有差異 D.描點作圖時,由于標錯了標度,把所有的點描在了錯誤的位置 (4)“倍分法”是一種很有用的實驗設(shè)計思想,下列科學(xué)研究中,科學(xué)家使用“倍分法”思想來幫助研究的是________. A.伽利略研究力與運動的關(guān)系 B.開普勒研究行星繞太陽運動軌道的半長軸與周期的關(guān)系 C.庫侖研究點電荷間相互作用力的規(guī)律 D.奧斯特研究電流的磁效應(yīng) 答案 (1)右 (2)t-2 (3)AC (4)C- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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