22届高中物理一轮总复习 实验5　探究动能定理（新高考）课件PPT

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一、实验目的1.通过实验数据分析,总结出合力做功与物体速度平方成正比的关系,即W∝v2。2.探究动能定理:力在一个过程中对物体做的功,等于物体在这个过程中动能的变化,即W=ΔEk。二、实验器材打点计时器、交流电源、长木板、小车、纸带、橡皮筋(重物、细绳)、垫块、毫米刻度尺。
三、实验思路方案一由橡皮筋提供牵引力,改变橡皮筋的根数,由静止释放小车,若1根橡皮筋对小车做的功是W1,则n根橡皮筋对小车做的功是nW1。小车获得的速度可以由纸带测出。
数据处理1.选点测速:在纸带上选取点迹均匀的部分测出小车被弹出后获得的速度vn,并做记录。
2.根据实验数据作出W-v2图像。
误差分析1.橡皮筋长短、粗细不一,使橡皮筋的拉力做功与橡皮筋的根数不成正比造成误差。2.没有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力时倾角过大也会造成误差。3.利用打点计时器打出的纸带计算小车速度时,测量不准确造成误差。
方案二由重物提供牵引力,当M≥m时,可以把重物所受的重力当成小车受到的牵引力。改变重物的质量或者改变小车运动的距离,也就改变了牵引力做的功。小车运动的距离和小车获得的速度可以由纸带测出。
数据处理选取一条纸带,分别计算各计数点重物重力所做的功Wn=mgxn以及小车所对应的动能变化量Ekn= ,根据实验数据作ΔEk-W图像。
误差分析实验结果一般是ΔEk略小于W,这是由于除克服阻力做功外,重物做加速运动也会获得动能。即
【典例1】 (2020吉林辽源月考)某学习小组做探究功与速度变化的关系的实验如图所示,图中小车在一条橡皮筋的作用下弹出,沿木板滑行,橡皮筋对小车做的功记为W0。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(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根据打点计时器打在纸带上的点进行计算。
(1)除了图中已有的实验器材外,还需要导线、开关、刻度尺和 交流　(选填“交流”或“直流”)电源。 (2)实验中,小车会受到摩擦力的作用,可以使木板适当倾斜来平衡摩擦力,下面操作正确的是 D　。 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)在正确操作的情况下,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,应选用纸带的 GJ　部分进行测量(根据如图所示的纸带回答)。 
解析 (1)打点计时器使用的是交流电源。(2)平衡摩擦力时,应将纸带穿过打点计时器,放开拖着纸带的小车,小车能够匀速下滑即可,D正确。(3)从纸带上看,纸带的GJ段打点比较均匀,所以应选用纸带的GJ段进行测量。
思维点拨 (1)打点计时器需要使用交流电源。(2)小车在水平面运动时,由于受到摩擦阻力导致小车速度在变化,所以适当倾斜以平衡摩擦力。(3)要测量最大速度,应该选用点迹间隔均匀的部分。
(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、质量的关系”实验中平衡摩擦力的原因是一样的。(2)计算小车的速度时,应选纸带上间隔均匀的部分进行测量。(3)不直接算W和v的具体数值,而看第2次、第3次……实验中的W和v分别是第1次的多少倍,这样可简化数据的测量和处理。
本实验易与其他力学知识综合考查,出题方式灵活,往往在教材实验基础上创设新情境。实验的器材和数据处理及实验方案都有可能进行改进和创新。1.实验器材及装置的改进
2.数据测量的改进由光电门测速度v= ,或速度传感器直接显示速度大小 用纸带测速度。3.实验方案的改进利用光电门和气垫导轨探究功和动能的关系。
【典例2】 (2020重庆一中月考)某实验小组用图甲实验装置探究合力做功与动能变化的关系。铁架台竖直固定放置在水平桌面上,将长木板倾斜放置,一端固定在水平桌面边缘P处,另一位置放置在铁架台的铁杆上,忽略铁杆粗细,木板与铁杆接触处记为Q,P处放置一光电门。
实验步骤如下:Ⅰ.用游标卡尺测出滑块的挡光片宽度L,用天平测出滑块的质量m;Ⅱ.平衡摩擦力:以木板放置在水平桌面上的P处为轴,调节长木板在铁架台上的放置位置,使滑块恰好沿木板向下做匀速运动。在铁架台竖直杆上记下此位置Q1,用刻度尺测出Q1到水平面的高度H;Ⅲ.保持P位置不变,长木板一端放置在铁架台竖直杆Q2处,用刻度尺量出Q1Q2的距离h1。将滑块从木板上的Q2位置由静止释放,由光电门计时器读出滑块的挡光时间t1;Ⅳ.保持P位置不变,重新调节长木板一端在铁架台上的放置位置,重复步骤Ⅲ数次。
(1)滑块沿长木板由Q2运动到P的过程中,用测量的物理量回答下列问题(已知重力加速度为g):①滑块动能的变化量ΔEk=  　; ②滑块克服摩擦力做的功Wf= mgH　; ③合力对滑块做的功W合= mgh1　。 
(2)某学生以长木板在铁架台竖直杆上的放置位置到Q1的距离h为横坐标,以滑块通过光电门的挡光时间的平方倒数 为纵坐标,根据测量数据在坐标中描点画出如图乙所示直线,若图线过原点,且图线斜率k=　 ,则能证明合外力做的功等于物体动能增量。 
思维点拨 本题属于器材及实验方案和数据处理的创新。
【典例3】 (2020山东青岛模拟)某研究小组利用气垫导轨验证动能定理,实验装置示意图如图甲所示。
甲首先用天平测量滑块和遮光条的总质量M、重物的质量m;用游标卡尺测量遮光条的宽度d;然后调整气垫导轨水平,调整轻滑轮使细线水平;实验时每次滑块都从同一位置A处由静止释放,用x表示滑块从位置A到光电门的距离,用Δt表示遮光条经过光电门所用的时间。回答下列问题:
(2)实验前调整气垫导轨水平的目的是 确保只有重物的重力对系统做功 ;(3)以滑块(包含遮光条)和重物组成的系统为研究对象,在实验误差允许的范围内,若满足关系式 　(用实验测得物理量的字母表示),则可认为验证了动能定理。 
(1)测量d时,游标卡尺(主尺的最小分度为1 mm)的示数如图乙所示,读数为 0.970　 cm; 
解析 (1)游标卡尺的主尺读数为0.9 cm,游标读数为0.05×14 mm=0.70 mm,则d=0.970 cm;(2)实验前调整气垫导轨水平的目的是确保只有重物的重力对系统做功;
1.某实验小组采用如图甲所示的装置探究功与速度变化的关系,小车在橡皮筋的作用下弹出后,沿木板滑行,打点计时器工作频率为50 Hz。
(1)实验中木板略微倾斜,这样做 C　(填选项前的字母)。 A.是为了释放小车后,小车能匀加速下滑B.是为了增大橡皮筋对小车的弹力C.是为了使橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功D.是为了使橡皮筋松弛后小车做匀加速运动(2)某同学通过实验得到如图所示的纸带,关于小车速度的测量,正确的操作应该是测量 BC　(选填“BC”或“AB”)两点间距计算小车的速度。 
(3)若根据多次测量数据画出的W-v图像如图乙所示,根据图线形状可知,对W与v的关系作出的以下猜想肯定不正确的是 B　(填选项前的字母)。 
2.(2020广西南宁月考)如图所示,用质量为m的重物通过滑轮牵引小车,使它在长木板上运动,打点计时器在纸带上记录小车的运动情况,利用该装置可以完成“探究动能定理”的实验。
(1)实验中,先平衡摩擦力和其他阻力,然后接通电源,释放小车,打点计时器在纸带上打下一系列点,将打下的第一个点标为O。在纸带上依次取A、B、C……若干个计数点,已知相邻计数点间的时间间隔为T。测得A、B、C……各点到O点的距离为x1、x2、x3……,如图所示。实验中,重物质量远小于小车质量,可认为小车所受的拉力大小为mg,从O点到B点的过程中,拉力对小车做的功W= mgx2　,B点时小车的速度为
(2)假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响,若重物质量不满足远小于小车质量的条件,则从理论上分析,图中正确反映v2-W关系的是 A　。 
3.如图甲所示是探究“恒力做功与物体动能改变的关系”实验装置,主要实验步骤如下:
①用天平测出滑块(含滑轮)质量M=240 g,并安装好实验装置;②适当垫高长木板不带滑轮的一端,滑块不挂轻绳,挂上纸带,轻推滑块使滑块沿长木板
匀速运动;③轻绳通过轨道末端的滑轮和滑块上的滑轮,一端挂在力传感器上,另一端挂质量为m=100 g的钩码,两轻绳与木板平行;
④接通打点计时器电源,释放滑块,打出一条点迹清晰的纸带,如图乙所示,相邻计数点间时间间隔为0.1 s,并记录力传感器示数F=0.39 N。
回答下列问题:(1)滑块从B运动到D的过程中,合力对滑块所做的功W= 0.14　 J,滑块动能的增量ΔEk= 0.13　 J(计算结果均保留两位有效数字)。 (2)多次实验发现合力对滑块所做的功W总略大于滑块动能的增量ΔEk,可能的原因是 C　(填选项前的字母)。 A.没有满足滑块质量远大于钩码质量B.平衡摩擦力过度C.滑轮摩擦影响(3)利用该实验装置还可以完成的物理实验有研究匀变速直线运动的规律;探究加速度与力、质量的关系;测量滑块与长木板间的动摩擦因数(写出一种即可)。