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實驗五 探究動能定理 實驗準備實驗目的 1 探究外力對物體做功與物體速度變化的關系 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 實驗原理 條數(shù) 增加 打點計時器 探究功與物體動能變化的關系 可通過改變力對物體做的功 測出力對物體做不同功時物體的速度 為簡化實驗可將物體初速度設置為零 可用如圖S5 1所示的裝置進行實驗 通過增加橡皮筋的 使橡皮筋對小車做的功成倍 再通過 和紙帶來測量每次實驗后小車的末速度v 圖S5 1 實驗器材打點計時器 紙帶 復寫紙 小車 帶小鉤 電源 導線 砝碼 5 6條完全相同的橡皮筋 刻度尺 長木板 鐵釘?shù)?實驗過程 實驗步驟 平衡摩擦力 1 按如圖S5 1所示將實驗儀器安裝好 同時 2 先用 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 將這一組數(shù)據(jù)記入表格 1 W 3 用 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 測出小 車獲得的速度v2 將數(shù)據(jù)記入表格 2 2W 4 用3條 4條 橡皮筋做實驗 用同樣的方法測出橡皮筋對小車做的功和小車獲得的速度 記入表格 5 觀察測得數(shù)據(jù)進行估計 大致判斷兩個量可能的關系 然后以W為縱坐標 以v2 或v 為橫坐標作圖 尋找兩者的關系 實驗結論從實驗結果看出 功W與速度v的平方成正比 即W v2 基礎檢測 2017年槐蔭區(qū)期末 某實驗小組采用如圖S5 2所示的裝置 探究恒力做功與物體動能變化的關系 提供的實驗器材 電火花打點計時器及紙帶 沙桶 細沙 細線 小車及砝碼 一端帶滑輪的長木板及墊塊 圖S5 2 1 為完成此實驗 還需要的器材是 填下列儀器前的字母代號 A 天平 B 秒表 C 毫米刻度尺 2 實驗時 為了方便計算合力的功 使小車所受的合力大小等于沙和沙桶的總重力 為此 一方面要消除摩擦力的影響 另一方面還應使沙和沙桶的質量 填 遠小于 或 遠大于 小車和砝碼的總質量 答案 1 AC 2 遠小于 考點1 對實驗基本原理和步驟的考查 重點歸納1 平衡摩擦力 將木板一端墊高 使小車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 找到木板一個合適的傾角 2 選點測速 測小車速度時 紙帶上的點應選均勻部分的 也就是選小車做勻速直線運動時打的點 3 規(guī)格相同 橡皮筋規(guī)格相同時 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 典例剖析 例1 某實驗小組用如圖S5 3所示裝置 探究功與物體速 度變化的關系 圖S5 3 1 為平衡小車運動過程中受到的阻力 應該采用下面所述 方法中的 填選項前的字母代號 A 逐步調節(jié)木板的傾斜程度 讓小車能夠自由下滑B 逐步調節(jié)木板的傾斜程度 讓小車在橡皮筋作用下開 始運動 C 逐步調節(jié)木板的傾斜程度 給小車一初速度 讓拖著 紙帶的小車勻速下滑 D 逐步調節(jié)木板的傾斜程度 讓拖著紙帶的小車自由下 滑 2 圖S5 4是該實驗小組在實驗過程中打出的一條紙帶 已知打點計時器連接的電源的頻率為50Hz 則橡皮筋恢復原長時小車的速度為 m s 計算結果保留3位有效數(shù)字 圖S5 4 答案 1 C 2 1 39 1 38 1 40均正確 考點練透 1 2016年重慶第一中學檢測 用如圖S5 5甲所示裝置來探究 功和動能變化的關系 木板上固定兩個完全相同的遮光條A B 用不可伸長的細線將木板通過兩個滑輪與彈簧測力計C相連 木板放在安裝有定滑輪和光電門的軌道D上 軌道放在水平桌面上 P為小桶 內有沙子 滑輪質量 摩擦不計 重力加速度為g 甲 丙 乙圖S5 5 1 實驗中軌道應傾斜一定角度 這樣做的目的是 A 為了使釋放木板后 木板能勻加速下滑B 為了增大木板下滑的加速度 C 可使得細線拉力做的功等于合力對木板做的功D 可使得木板在未施加拉力時能勻速下滑 2 用游標卡尺測量遮光條的寬度 如圖乙所示 則遮光條 的寬度d cm 3 實驗主要步驟如下 測量木板 遮光條的總質量M 測量兩遮光條的距離L 按圖甲正確連接器材 將木板左端與軌道左端對齊 靜止釋放木板 木板在細線拉動下運動 記錄彈簧測力計示數(shù)F及遮光條B A先后經(jīng)過光電門的時間為t1 t2 則遮光條B A通過光電門的過程中木板動能的變化量 Ek 合外力對木板做功W 用字母M t1 t2 d L F表示 在小桶中增加沙子 重復 的操作 比較W Ek的大小 得出實驗結論 考點2 實驗數(shù)據(jù)的處理及誤差分析 重點歸納1 數(shù)據(jù)分析 1 小車速度的求法 實驗獲得如圖S5 6所示紙帶 利用紙帶上點跡均勻的一段測出兩點間的距離 如紙帶上A B兩點 圖S5 6 典例剖析 例2 如圖S5 7所示是某研究性學習小組做探究 橡皮筋做功和物體速度變化的關系 的實驗 圖中是小車在一條橡皮筋作用下彈出 沿木板滑行的情形 這時 橡皮筋對小車做的功記為W 當我們把2條 3條 完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次 第3次 實驗時 每次橡皮筋都拉伸到同一位置釋放 小車每次實驗中獲得的速度由打點計時器所打點的紙帶測出 圖S5 7 1 除了圖中的已給出的實驗器材外 還需要的器材有 2 平衡摩擦后 每次實驗得到的紙帶上的點并不都是均勻的 為了測量小車獲得的速度 應選用紙帶的 部分進行測量 3 下面是本實驗的數(shù)據(jù)記錄表 請將第2次 第3次 實驗中橡皮筋做的功填寫在對應的位置 4 從理論上講 橡皮筋做的功Wn和物體速度vn變化的關系應是Wn 請你根據(jù)表中測定的數(shù)據(jù)在如圖S5 8所示的坐標系中作出相應的圖象驗證理論的正確性 圖S5 8 答案 1 刻度尺 2 點距均勻 3 2W 3W 4W 5W 4 vn 如圖S5 9所示 圖S5 9 2 題后反思 1 實驗器材的選用 對應第 1 題 只要應用電磁打點計時器打紙帶的實驗 與打點計時器相關的器材 如 學生電源 導線 復寫紙 紙帶必須有 處理紙帶時 為測量計時點間距 還應有刻度尺 2 數(shù)據(jù)處理的方法 對應第 2 3 題 1 紙帶上點間距相等部分對應橡皮筋松弛后小車獲得的 末速度 2 因完全相同的橡皮筋 拉伸相同的長度 故橡皮筋對小 車做的總功與橡皮筋條數(shù)成正比 3 利用圖象探究物理量間的關系 對應第 4 題 1 利用圖象探究物理量間的關系時 首先確定橫 縱坐標 軸對應的物理量及單位 2 根據(jù)表中數(shù)據(jù)確定橫 縱坐標軸的標度 3 認真描出各坐標點 4 連線時要注意連線原則 偏離直線較遠的點要舍去 考點練透 2 某同學利用如圖S5 10所示的裝置探究功與速度變化的 關系 圖S5 10 A 小物塊在橡皮筋的作用下彈出 沿水平桌面滑行 之 后平拋落至水平地面上 落點記為M1 B 在釘子上分別套上2條 3條 4條 同樣的橡皮筋 使每次橡皮筋拉伸的長度都保持一致 重復步驟 1 小物塊落點分別記為M2 M3 M4 C 測量相關數(shù)據(jù) 進行數(shù)據(jù)處理 1 為求出小物塊拋出時的動能 需要測量下列物理量中的 填正確答案標號 A 小物塊的質量mB 橡皮筋的原長x C 橡皮筋的伸長量 xD 桌面到地面的高度h E 小物塊拋出點到落地點的水平距離L 2 將幾次實驗中橡皮筋對小物塊做的功分別記為W1 W2 W3 小物塊拋出點到落地點的水平距離分別記為L1 L2 L3 若功與速度的平方成正比 則應以W為縱坐標 為橫坐標作圖 才能得到一條直線 3 若小物塊與桌面之間的摩擦不能忽略 則由此引起的誤 差屬于 填 偶然誤差 或 系統(tǒng)誤差 3 由于儀器本身不精確 或實驗方法粗略 或實驗原理不完善而產(chǎn)生的誤差屬于系統(tǒng)誤差 實驗中由于小物塊與桌面之間的摩擦不能忽略而引起的誤差屬于系統(tǒng)誤差 答案 1 ADE 2 L2 3 系統(tǒng)誤差 考點3 實驗的改進與創(chuàng)新 重點歸納1 實驗器材的改進 使用拉力傳感器和速度傳感器 圖S5 11 2 實驗方案的改進 1 利用自由落體運動探究功和動能的關系 2 研究小車以不同的初速度沿粗糙水平面滑動的距離 得出小車的初動能大小與克服摩擦力做功的情況 也可探究動能定理 這時必須保證小車與水平面上各處之間的動摩擦因數(shù)相同 典例剖析 例3 某學習小組利用如圖S5 12所示的裝置驗證動能定 理 圖S5 12 1 將氣墊導軌調至水平 安裝好實驗器材 從圖中讀出兩 光電門中心之間的距離x cm 2 測量擋光條的寬度d 記錄擋光條通過光電門1和2所用的時間 t1和 t2 并從拉力傳感器中讀出滑塊受到的拉力F 為了完成實驗 還需要直接測量的一個物理量是 3 該實驗是否需要滿足砝碼盤和砝碼的總質量遠小于滑塊 擋光條和拉力傳感器的總質量 填 是 或 否 答案 1 50 00 2 滑塊 擋光條和拉力傳感器的總質量M 3 否 題后反思 1 實驗器材的創(chuàng)新 對應題干部分 1 利用氣墊導軌替代長木板 實驗中不必再平衡滑塊的摩 擦力 2 利用光電門測量滑塊運動的速度更準確 3 利用力傳感器測量細繩的拉力更方便 2 實驗原理的創(chuàng)新 對應第 2 題 1 實驗研究滑塊通過兩光電門之間的過程中合外力做功與動能改變量的關系 研究對象為滑塊 擋光條和拉力傳感器組成的整體 2 因用拉力傳感器直接測細繩拉力大小 故不必滿足砝碼盤和砝碼的總質量遠小于滑塊 擋光條和拉力傳感器的總質量 考點練透 3 2016年新課標 卷 某物理小組對輕彈簧的彈性勢能進行探究 實驗裝置如圖S5 13所示 輕彈簧放置在光滑水平桌面上 彈簧左端固定 右端與一物塊接觸而不連接 紙帶穿過打點計時器并與物塊連接 向左推物塊使彈簧壓縮一段距離 由靜止釋放物塊 通過測量和計算 可求得彈簧被壓縮后的彈性勢能 圖S5 13 1 實驗中涉及下列操作步驟 把紙帶向左拉直 松手釋放物塊 接通打點計時器電源 向左推物塊使彈簧壓縮 并測量彈簧壓縮量 上述步驟正確的操作順序是 填代表步驟的序 號 2 圖S5 14中M和L紙帶是分別把彈簧壓縮到不同位置后所得到的實際打點結果 打點計時器所用交流電的頻率為50Hz 由M紙帶所給的數(shù)據(jù) 可求出在該紙帶對應的實驗中物塊脫離彈簧時的速度為 m s 比較兩紙帶可知 填 M 或 L 紙帶對應的實驗中彈簧被壓縮后的彈性勢能大 圖S5 14 答案 1 2 1 29M