2022年高考物理实验五探究动能定理理论指导 .pdf

高考物理一轮复习实验五 探究动能定理(1) 探究外力对物体做功与物体速度的关系。(2) 会用图象法处理实验数据，通过对实验数据分析，总结出做功与物体速度平方的关系。(1) 采用如图实 51 所示装置，让小车在橡皮筋作用下弹出，使小车获得速度后沿木板匀速滑行。当用一条橡皮筋弹出时对小车做的功记为W，则用两条、三条完全相同的橡皮筋并在一起进行第2 次、第 3 次实验， 每次橡皮筋都拉伸到同一位置释放时，实验中橡皮筋对小车做的功就是2W、 3W图实 51 (2) 实验中橡皮筋每次做的功使小车获得的速度是根据打点计时器打出的纸带得到的。当得出若干组功和速度的数据后，以橡皮筋对小车做的功W为纵坐标， 分别以小车获得的速度v、v2为横坐标，以第1 次实验时的功W为单位， 用描点法分别作出Wv、Wv2曲线，分析曲线，得出橡皮筋对小车做的功与小车速度的定量关系。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 ( 使用电火花计时器不用学生电源) 、 56 条等长的橡皮筋、刻度尺。(1) 按图中所示将实验仪器安装好。(2) 平衡摩擦力： 在长木板有打点计时器的一端下面垫一块木板，反复移动木板的位置，直至小车上不挂橡皮筋时，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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 7 页图实 52 1测量小车的速度实验获得如图实5 2 所示的纸带，为探究橡皮筋弹力做的功和小车速度的关系，需要测量弹力做功结束时小车的速度，即小车做匀速运动的速度，应在纸带上测量的物理量是：A1、A2间的距离x，小车速度的表达式是vxT(T为打点计时器打点的时间间隔) 。2实验数据记录橡皮筋条数位移x/m时间t/s速度v/(ms1)速度平方(v2/m2s2) 3实验数据处理及分析(1) 观察法：当橡皮筋的条数成倍增加，即合外力做的功成倍增加时，观察小车的速度或速度的平方如何变化，有何变化规律。(2) 图象法：在坐标纸上画出Wv或Wv2图线( “W”以一根橡皮筋做的功为单位) 。图实 53 4实验结论从图象分析外力对物体做功与物体速度变化的关系。(1) 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。方法是轻推小精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 7 页车，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) 测小车速度时，应选纸带上的点均匀的部分，也就是选小车做匀速运动的部分。(3) 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) 小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些。(1) 误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋的拉力做的功W与橡皮筋的条数不成正比。(2) 没有完全平衡摩擦力(倾角小 ) 或平衡摩擦力过度( 倾角过大 )也会造成误差。(3) 利用纸带计算小车的速度时，测量间距不准确或所选阶段不正确带来误差。方案 1 如图实 54 所示，将拉力传感器固定在小车上，拉力传感器可以记录小车受到的拉力大小，在水平桌面上相距一定距离L的A、B两点各安装一个速度传感器，分别记录小车通过A、B时的速度大小，改变钩码的数量，分别得到对应拉力的功W和 v2( 即v2Av2B) ，也可验证得到Wv2的结论。图实 54 方案 2 如图实 55 甲所示将纸带固定在重物上，让纸带穿过电火花计时器或电磁打点计时器。先用手提着纸带，使重物静止在靠近计时器的地方。然后接通电源，松开纸带，让重物自由下落，计时器就在纸带上打下一系列小点。得到的纸带如图乙所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 7 页图实 55 O点为计时器打下的第1 个点，在纸带上取相等距离的点A、B、C，运算得到v2A、v2B、v2C，重物从O到A、B、C重力所做的功分别为W、2W、3W，由此，也可验证得Wv2的结论。实验原理与操作 例 1 某探究学习小组的同学欲验证动能定理，他们在实验室组装了一套如图实56 所示的装置，另外他们还找到了打点计时器所用的学生电源、导线、复写纸、纸带、小木块、细沙。当滑块连接上纸带，用细线通过滑轮挂上空的小沙桶时，释放小桶，滑块处于静止状态。若你是小组中的一位成员，要完成该项实验。图实 56 (1) 你认为还需要的实验器材有_。(2) 实验时为了保证滑块受到的合力与沙桶的总重力大小基本相等，细沙和沙桶的总质量 应 满 足 的 实 验 条 件 是 _ ， 实 验 时 首 先 要 做 的 步 骤 是_。(3) 在(2) 的基础上，某同学用天平称量滑块的质量为M。往沙桶中装入适量的细沙，用天平称出此时沙和沙桶的总质量为m。让沙桶带动滑块加速运动。用打点计时器记录其运动情况，在打点计时器打出的纸带上取两点，测出这两点的间距L和这两点的速度大小v1与v2(v1v2) 。则本实验最终要验证的数学表达式为_。( 用题中的字母表示实验中测量得到的物理量) 解析 该实验中的研究对象是滑块，目的是比较合外力对滑块所做的功与滑块动能的增量的关系。 因为合外力不等于滑块的重力，两端质量不可能“抵消”，所以要分别测出沙、滑块的质量， 还要测出滑块移动的距离，便于计算做的功和速度，因此还需要有天平和刻度精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 7 页尺。实验时应注意平衡摩擦力，以减少误差。 从实验方便性上考虑要把沙的重力看做滑块所受的合外力，m应远远小于M。实验验证的表达式为mgL12Mv2212Mv21。 答案 (1) 天平、刻度尺(2) 沙和沙桶的总质量远小于滑块的质量平衡摩擦力(3)mgL12Mv2212Mv21实验数据的处理 例 2 (2012福建龙岩一中模拟) 为了探究恒力作用时的动能定理，某同学做了如下实验，他让滑块在某一水平面上滑行，利用速度采集器获取其初速度v，并测量出不同初速度的最大滑行距离x，得到下表所示几组数据：数据组123456 v/(ms 1)00.160.190.240.300.49 x/m00.0450.0750.1110.1630.442 (1) 一同学根据表中数据，作出xv图象如图实57 甲所示。观察该图象，该同学作出如下推理：根据xv图象大致是一条抛物线，可以猜想，x可能与v2成正比。请在图乙所示坐标纸上选择适当的坐标轴作出图线验证该同学的猜想。图实 57 (2) 根据你所作的图象，你认为滑块滑行的最大距离x与滑块初速度平方v2的关系是_ 。 解析 (1) 做出xv2的图线如图所示。(2) 由图可以看出，滑块滑行的最大距离x与滑块初速度平方v2成正比。即：xv2。 答案 (1) 见解析(2)xv2同类实验的拓展与创新精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 7 页 例 3 (2013杭州模拟) 为了“探究外力做功与物体动能变化的关系”，查资料得知，弹簧的弹性势能Ep12kx2，其中k是弹簧的劲度系数，x是弹簧长度的变化量。某同学就设想用压缩的弹簧推静止的小球( 质量为m) 运动来探究这一问题。为了研究方便， 把小球放在水平桌面上做实验，让小球在弹力作用下运动，既只有弹簧弹力做功。该同学设计实验如下：首先进行如图实5 8 甲所示的实验：将轻质弹簧竖直挂起来，在弹簧的另一端挂上小球，静止时测得弹簧的伸长量为d。图实 58 在此步骤中，目的是要确定物理量_，用m、d、g表示为 _。接着进行如图乙所示的实验：将这根弹簧水平放在桌面上，一端固定， 另一端被小球压缩，测得压缩量为x，释放弹簧后，小球被推出去，从高为h的水平桌面上抛出，小球在空中运动的水平距离为L。小球的初动能Ek1_。小球离开桌面的动能Ek2 _。弹簧对小球做的功W_( 用m、x、d、g表示 ) 。对比W和Ek2Ek1就可以得出“外力做功与物体动能变化的关系”。 解析 在图甲所示的实验中，目的是确定弹簧的劲度系数k，由平衡条件得：mgkd，即kmgd。在图乙所示的实验中，小球的初动能Ek1 0。又根据小球做平抛运动得：h12gt2，Lvt所以Ek212mv212m(Lg/2h)2mgL24h弹簧对小球做的功等于弹性势能的减少，所以W12kx2mgx22d。 答案 弹簧的劲度系数kmgd0 mgL24hmgx22d精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 7 页