资源简介

实验五　探究动能定理
　　　　　　　　　　　　　　　　
[实验目的]
1．通过实验探究外力做功与物体速度变化的关系．
2．通过实验数据分析，总结出外力做功与物体速度平方的正比关系．
[实验原理]
1．改变功的大小：采用实验原理图所示的实验装置，用1条、2条、3条…规格同样的橡皮筋将小车拉到同一位置由静止释放，橡皮筋拉力对小车所做的功依次为W、2W、3W….
2．确定速度的大小：小车获得的速度v可以由纸带和打点计时器测出，也可以用其他方法测出．
3．寻找功与速度变化的关系：以橡皮筋拉力所做的功W为纵坐标，小车获得的速度v为横坐标，作出W?v或W?v2图象．分析图象，得出橡皮筋拉力对小车所做的功与小车获得的速度的定量关系．
[实验器材]
小车(前面带小钩)、长木板(两侧适当的对称位置钉两个铁钉)、打点计时器及纸带、学生电源及导线(若使用电火花计时器则不用学生电源)、若干条等长的橡皮筋、毫米刻度尺．
[实验步骤]
1．按原理图将仪器安装好．
2．平衡摩擦力：在长木板的有打点计时器的一端下面垫一块木块，反复移动木块的位置，直至小车上不挂橡皮筋时，轻推小车，纸带打出的点间距均匀，即小车能匀速运动为止．
3．先用1条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车获得的速度v1，设此时橡皮筋对小车做的功为W，将这一组数据记入表格．
4．用2条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次相同，这时橡皮筋对小车做的功为2W，测出小车获得的速度v2，将数据记入表格．
5．用3条、4条…橡皮筋做实验，用同样的方法测出功和速度，记入表格．
[数据处理]
1．求小车速度
实验获得如图所示纸带，利用纸带上点迹均匀的一段测出两点间的距离，如纸带上A、C两点间的距离x，则v＝(其中T为打点周期)．
2．计算W、2W、3W…时对应v、v2的数值，填入下面表格.
W 2W 3W 4W 5W
v




v2




3.作图象
在坐标纸上分别作出W?v和W?v2图线，从中找出功与速度变化的关系．
[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木板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，测量不准带来误差．
　　　　　　　　　　　　　　　　
命题点1　教材原型实验
某学习小组做探究“合力的功和物体速度变化的关系”的实验，图1中小车是在1条橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行，这时橡皮筋对小车做的功记为W.当用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，使每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致．每次实验中小车获得的速度由打点计时器所打的纸带测出．
(1)除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、________(填测量工具)和________(选填“交流”或“直流”)电源．
(2)实验中，小车会受到摩擦阻力的作用，可以使木板适当倾斜来平衡摩擦阻力，则下面操作正确的是(　　)
A．放开小车，能够自由下滑即可
B．放开小车，能够匀速下滑即可
C．放开拖着纸带的小车，能够自由下滑即可
D．放开拖着纸带的小车，能够匀速下滑即可
(3)若木板水平放置，小车在两条橡皮筋作用下运动，当小车速度最大时，关于橡皮筋所处的状态与小车所在的位置，下列说法正确的是(　　)
A．橡皮筋处于原长状态
B．橡皮筋仍处于伸长状态
C．小车在两个铁钉的连线处
D．小车已过两个铁钉的连线
(4)在正确操作情况下，打在纸带上的点并不都是均匀的，为了测量小车获得的速度，应选用图2中纸带的________部分进行测量．
【解析】　(1)为测量小车获得的速度，必须用刻度尺来测量纸带上点和点之间的距离；打点计时器必须使用交流电源．
(2)平衡摩擦力时，也要平衡纸带与限位孔之间的摩擦力．根据平衡状态的特点，小车做匀速运动时即平衡了摩擦力．
(3)若木板水平放置，则未平衡摩擦力．小车速度最大时，也就是加速度为零的时刻，即橡皮筋对小车的拉力等于小车受到的摩擦力的时刻，此时橡皮筋处于伸长状态，小车还未到两个铁钉的连线处，B正确．
(4)应该选用纸带上小车做匀速运动的部分进行测量，此时小车的速度最大，即GK部分．
【答案】　(1)刻度尺　交流　(2)D　(3)B　(4)GK
高分技法
本实验注意事项
(1)平衡摩擦力：将木板一端垫高，使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡.方法：使小车连着纸带并接通电源，轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否做匀速运动，找到长木板的一个合适的倾角.
(2)选点测速：测小车的速度时，纸带上的点应选均匀部分的，也就是选小车做匀速运动时的部分.
(3)橡皮筋的选择：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)先后顺序：开始实验时，小车应靠近打点计时器，并且要先接通电源再释放小车.
(5)小车的选择：小车质量应适当大一些，使纸带上打的点多一些.
1．如图甲所示为探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度关系的实验装置．打点计时器使用的电源频率为50 Hz.实验主要过程如下：
①设法让橡皮筋对小车做的功分别为W、2W、3W……
②分析打点计时器打出的纸带，求出小车的速度v1、v2、v3……
③作出W?v草图．
④分析W?v图象，如果W?v图象是一条直线，表明W∝v；如果不是直线，可考虑是否存在W∝v2、W∝v3、W∝等关系．
(1)实验中木板略微倾斜，这样做CD.
A．是为了使释放小车后，小车能匀加速下滑
B．是为了增大小车下滑的加速度
C．可使得橡皮筋做的功等于合力对小车做的功
D．可使得橡皮筋松驰后小车做匀速运动
(2)实验中先后用同样的橡皮筋1条、2条、3条……合并起来挂在小车的前端进行多次实验，每次都要把小车拉到同一位置再释放．把第1次只挂1条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功记为W1，第二次挂2条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功记为2W1……橡皮筋对小车做功而使小车获得的速度可根据打点计时器打出的纸带算出．根据第四次的纸带(如图乙所示)求得小车获得的速度为2.00 m/s.(保留3位有效数字)
(3)通过实验获得较科学的数据作出的W?v2图象，应为图丙中的A.
解析：(1)实验中木板略微倾斜，目的是平衡摩擦力，使得橡皮筋做的功等于合力对小车做的功，使得橡皮筋松驰后，小车做匀速直线运动，故C、D正确，A、B错误．
(2)橡皮筋松驰后，小车做匀速直线运动，则小车获得的速度v＝＝ m/s＝2.00 m/s.
(3)合力做功等于动能的增加量，即W＝mv2，可知W与v2成正比，故A正确，B、C、D错误．
命题点2　实验拓展创新
命题角度1：实验原理创新
(2019·江苏卷)某兴趣小组用如图甲所示的装置验证动能定理．
(1)有两种工作频率均为50 Hz的打点计时器供实验选用：
A．电磁打点计时器
B．电火花打点计时器
为使纸带在运动时受到的阻力较小，应选择________(选填“A”或“B”)．
(2)保持长木板水平，将纸带固定在小车后端，纸带穿过打点计时器的限位孔．实验中，为消除摩擦力的影响，在砝码盘中慢慢加入沙子，直到小车开始运动．同学甲认为此时摩擦力的影响已得到消除．同学乙认为还应从盘中取出适量沙子，直至轻推小车观察到小车做匀速运动．看法正确的同学是________(选填“甲”或“乙”)．
(3)消除摩擦力的影响后，在砝码盘中加入砝码．接通打点计时器电源，松开小车，小车运动．纸带被打出一系列点，其中的一段如图乙所示．图中l＝1.24 cm，纸带上A点的速度vA＝________m/s.
(4)测出小车的质量为M，再测出纸带上起点到A点的距离为L.小车动能的变化量可用ΔEk＝Mv算出．砝码盘中砝码的质量为m，重力加速度为g.实验中，小车的质量应________(填“远大于”“远小于”或“接近”)砝码、砝码盘和沙子的总质量，小车所受合力做的功可用W＝mgL算出．多次测量，若W与ΔEk均基本相等则验证了动能定理．
【解析】　本题通过利用打点计时器验证动能定理．
(1)电火花打点计时器限位孔、墨粉盘与纸带间的摩擦阻力小，在本实验中需要尽量排除阻力做功的影响，应选B.
(2)在砝码盘中缓慢加沙子，直到小车开始运动，说明此时小车受到的力是最大静摩擦力，平衡摩擦力时应该是砝码盘和沙子的总重力恰好等于小车受到的滑动摩擦力，最大静摩擦力一般大于滑动摩擦力，所以还应从盘中取出适量的沙子，然后轻推小车，让小车做匀速直线运动，故看法正确的同学是乙．
(3)A点左右两侧最近两点间的距离为l＝1.24 cm，根据匀变速直线运动中某段时间中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度可知vA＝＝ m/s＝0.31 m/s.
(4)设砝码盘和沙子的质量为m′，平衡摩擦力时m′g＝f，添加砝码m后，根据牛顿第二定律，对小车有T－f＝Ma，对砝码盘、砝码和沙子有(m＋m′)g－T＝(m＋m′)a，两式联立得T＝＋，只有M?m＋m′时，绳子的拉力才近似等于砝码的重力．
【答案】　(1)B　(2)乙　(3)0.31　(4)远大于
命题角度2：实验器材创新
某学习小组用图甲所示的实验装置探究“动能定理”．他们在气垫导轨上安装了一个光电门B，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从A处由静止释放．
(1)某同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d，如图乙所示，则d＝________mm.
(2)下列实验要求中不必要的一项是________(请填写选项前对应的字母)．
A．应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量
B．应使A位置与光电门间的距离适当大些
C．应将气垫导轨调至水平
D．应使细线与气垫导轨平行
(3)实验时保持滑块的质量M和A、B间的距离L不变，改变钩码质量m，测出对应的力传感器的示数F和遮光条通过光电门的时间t，通过描点作出线性图象，研究滑块动能变化与合外力对它所做功的关系，处理数据时应作出的图象是________(填写选项前对应的字母)．
A．t－图象 B.－F图象
C．t2－图象 D.－F2图象
【解析】　(1)由题图知d＝2 mm＋6×0.05 mm＝2.30 mm.
(2)拉力是直接通过力传感器测量的，故A不必要；应使A位置与光电门的距离适当大些，有利于减小误差，故B是必要的；应将气垫导轨调节水平，保持细线与气垫导轨平行，这样拉力才等于合力，故C、D是必要的．
(3)根据牛顿第二定律：F＝Ma，滑块通过光电门的速度为：v＝，根据运动学公式：v2＝2ax，代入可得：2＝2L，解得：t2＝，所以处理数据时应做出t2－的图象，故选C.
【答案】　(1)2.30　(2)A　(3)C
命题角度3：实验目的拓展
某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图甲所示，轻弹簧放置在倾斜的长木板上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打点计时器并与物块连接．向左推物块使弹簧压缩一段距离，由静止释放物块，通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能．
(1)实验中涉及下列操作步骤：
①松手释放物块
②接通打点计时器电源
③木板一端抬高以平衡摩擦力
④向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量
上述步骤正确的操作顺序是________(填入代表步骤的序号)．
(2)甲同学实际打点结果如图乙所示(纸带左侧连接物块)，观察纸带，可知物块脱离速度的测量值比真实值________(填“偏小”或“偏大”)．
(3)乙同学实际打点结果如图丙所示(纸带左侧连接物块)．打点计时器所用交流电的频率为50 Hz，物块质量为200 g，结合纸带所给的数据，可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为________m/s，相应的弹簧的弹性势能为________J．(结果均保留两位有效数字)
【解析】　本题考查探究轻弹簧的弹性势能．
(1)实验步骤为先平衡摩擦力，即将木板一端抬高以平衡摩擦力，再向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量，然后接通打点计时器电源，最后松手释放物块，因此正确的操作步骤为③④②①.
(2)由图乙知，物块先加速后减速，可知平衡摩擦力不足，得到的物块速度偏小，即测量值比真实值小．
(3)由图丙知，物块脱离弹簧后做匀速运动，物块做匀速直线运动的速度为v＝＝0.78 m/s；根据动能定理可知相应的弹性势能Ep＝mv2＝0.061 J.
【答案】　(1)③④②①　(2)偏小　(3)0.78　0.061

展开更多......

收起↑