2022年最新【金版优课】高考物理一轮教学案：专题十二考点一实验五-探究动能定理-含解析 .docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 试验五 探究动能定理基础点2试验目的1探究外力对物体做功与物体速度变化的关系；2通过试验数据分析,总结出做功与物体速度平方的正比关系；3试验原理1一根橡皮筋作用在小车上移动距离 2两根橡皮筋作用在小车上移动距离 3三根橡皮筋作用在小车上移动距离s做功为 W；s做功应为 2W；s做功应为 3W；4利用打点计时器求出小车离开橡皮筋的速度,列表、作图,由图象可以确定速度变化与功的关系；4试验器材 小车前面带小钩 、100200 g砝码、长木板 在两侧适当的对称位置钉两个铁钉 、打点计时器、 纸带、同学电源 使用电火花计时器时不用同学电源 、导线、56 条等长的橡皮筋、刻度尺；5试验步骤 1按如下图将试验仪器安装好；名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2平稳摩擦力： 在长木板的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,轻推小车,纸带打出的点间距匀称,即小车能匀速运动为止；3先用 1 条橡皮筋做试验,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 条橡皮筋做试验, 试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 橡皮筋做试验, 用同样的方法测出功和速度, 记入表格；重难点一、数据处理1测量小车的速度： 试验获得如下图的纸带,为探究橡皮筋弹力做的功和小车速度的关系, 需要测量弹力做功终止时小车的速度,即小车做匀速运动的速度,应在纸带上测量的物理量： A1、A2间的距离 x,小车速度的表达式是 vx TT为打点计时器打点的时间间隔 ；2记录试验数据： 把运算出的速度填入表格中并算出 v2的值；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3.数据处理： 在坐标纸上 如下图 画出 W-v 或 W-v2图线 “W” 以一条橡皮筋做的功为单位 ；4试验结论： 从图象分析外力对物体做功与物体速度变化的关系为 Wv2；二、误差分析三、留意事项名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1平稳摩擦力： 将木板一端垫高,使小车的重力沿斜面对下的分力与摩擦 阻力平稳；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匀称程度判定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,纸带上的点应选匀称部分的,也就是选小 车做匀速运动时的部分；3橡皮筋的挑选： 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,不必运算出详细数值,而是看是一根橡皮筋的多少倍,简化 数据的测量和处理；4先后次序： 开头试验时,小车应靠近打点计时器,并且要先接通电源再 释放小车；5数据的处理： 通过图象处理数据；我们无法直接由一些数据得出规律性的结论,故借助于图象分析,而最简单想到的是W 和 v 的关系,但得到的图象无法下结论,故再作 W-v2图象,进而得出结论；6本试验中物体的初速度为零；四、试验改良1本试验中物体运动速度可以使用速度传感器直接采集,比用打点计时器便利快捷且误差较小；2可以把长木板换成气垫导轨,省略平稳摩擦力的操作步骤,到达简化实验过程的目的；考法综述 本试验属高考相对冷点,但因涉及利用图象法处理试验数据,将来高考可能仍会涉及,且可能向原理的创新、方法的拓展方向进展,难度相对较低；复习本试验时应把握以下几点：1 种方法 数据处理方法1 种思维 倍数思维,几根橡皮筋就是一根橡皮筋做功的几倍2 种操作 打点计时器使用操作方法,平稳摩擦力操作名师归纳总结 命题法 1试验原理与操作a 与 F、m 之间的定量关系”第 4 页,共 15 页如图甲所示,某组同学借用“ 探究典例 1- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 的相关试验思想、 原理及操作, 进行“ 讨论合外力做功和动能变化的关系” 的实验：1为到达平稳阻力的目的, 取下细绳和托盘, 通过调剂垫片的位置, 转变长木板倾斜程度,依据打出的纸带判定小车是否做_运动；2连接细绳及托盘,放入砝码,通过试验得到图乙所示的纸带；纸带上 O为小车运动起始时刻所打的点,选取时间间隔为0.1 s 的相邻计数点 A、B、C、D、E、F、G；试验时小车所受拉力为 0.2 N,小车的质量为 0.2 kg；请运算小车所受合外力做的功 W 和小车动能的变化 Ek,补填表中空格 结果保留至小数点后第四位 ；致；分析上述数据可知：在试验误差答应的范畴内 WEk,与理论推导结果一× 103 kg,试验时该组同学放入托盘中的砝码质量应为 _kgg 取 9.8 名师归纳总结 m/s2,结果保留至小数点后第三位；第 5 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 答案 1匀速直线20.1115 0.1105 30.015 解析 1为保证拉力等于小车受到的合力,需平稳摩擦力,即将长木板左 端适当垫高,轻推小车,使小车做匀速直线运动；2拉力做的功为 WFx OF0.2 N× 0.5575 m0.1115 J,F 点的瞬时速度为 vFxOGxOE 2T0.6677 m0.4575 m 2× 0.1 s1.051 m/s,故 F 点的动能为 EkF1 2mv2F1 2× ×2 J0.1105 J；3托盘和砝码整体受重力和拉力,从O 到 F 过程运用动能定理有mm0gxOF1 2Mmm0v 2F,代入数据解得m0.015 kg；【解题法】解决“ 探究动能定理” 试验时留意以下几点1正确懂得试验原理, 不同试验方法测量的量不同, 但均是比照外力做功与 动能变化的数值；2要善于将类似试验方法进行迁移, 如本试验中 “ 将钩码重力做的功当作细 绳拉力做的功 ” 与验证牛顿其次定律中钩码重力、拉力类似；命题法 2 试验数据的处理及误差分析 典例 2 如下图,是某讨论性学习小组做探究“ 橡皮筋做功和物体速度变化的关系” 的试验,图中是小车在一条橡皮筋作用下弹出,沿木板滑行的情形；这时,橡皮筋对小车做的功记为W；当我们把 2 条、3 条 完全相同的橡皮筋并在一起进行第 2 次、第 3 次 试验时,每次橡皮筋都拉伸到同一位置释放；小车每次试验中获得的速度由打点计时器所打点的纸带测出；1 除 了 图 中 的 已 给 出 的 实 验 器 材 , 仍 需 要 的 器 材 有名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - _；2平稳摩擦后, 每次试验得到的纸带上的点并不都是匀称的,为了测量小车获得的速度,应选用纸带的_部分进行测量；3下面是本试验的数据记录表, 请将第 2 次、第 3 次 试验中橡皮筋做的 功填写在对应的位置；4从理论上讲,橡皮筋做的功Wn 和物体速度vn 变化的关系应是Wn_,请你依据表中测定的数据在如下图的坐标系中作出相应的图象验证理 论的正确性；答案 1刻度尺2点距匀称32W、3W、4W、5W4v2n如以下图名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 解析 1运算小车速度需要测量纸带上的点的距离,要用刻度尺；2小车匀速运动时,纸带上的点的间隔匀称；3橡皮筋每增加一条,对小车做的功就增加 W；4纵坐标表示速度的平方, 横坐标表示功, 利用描点法描出各组数据对应的点,然后用平滑曲线连线作出v2n-Wn 图象见答案；【解题法】利用图象探究物理量间的关系1利用图象探究物理量间的关系时,单位；第一确定横、 纵坐标轴对应的物理量及2依据表中数据确定横、纵坐标轴的标度；3仔细描写各坐标点；4连线时要留意连线原就,偏离直线较远的点要舍去；命题法 3 试验的迁移、拓展与创新典例 3 某同学为探究“ 合力做功与物体动能转变的关系” 设计了如下实验,他的操作步骤如下：1按图甲摆好试验装置, 其中小车质量 M0.20 kg,钩码总质量 m0.05 kg；名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2释放小车,然后接通打点计时器的电源 纸带；电源频率为 f50 Hz,打出一条3他在多次重复试验得到的纸带中取出自认为中意的一条,如图乙所示； 把打下的第一点记作 0,然后依次取假设干个计数点,相邻计数点间仍有 4 个点未画出,用厘米刻度尺测得各计数点到0 点距离分别为 d10.041 m,d20.055 m,d30.167 m,d40.256 m,d50.360 m,d60.480 m ,他把钩码重力 当地重 力加速度 g10 m/s2作为小车所受合力, 算出打下 0 点到打下第 5 点合力做功 W_J结果保留三位有效数字 ,用正确的公式Ek_用相关数据前字母列式 把打下第 5 点时小车的动能作为小车动能的转变量,算得 E k0.125 J；4多项挑选 此次试验探究的结果, 他没能得到“ 合力对物体做的功等于物 体动能的增量” ,且误差很大；通过反思,他认为产生误差的缘由如下,其中正 确的选项是 _；A钩码质量太大,使得合力对物体做功的测量值与真实值偏差太多 B没有平稳摩擦力,使得合力对物体做功的测量值与真实值偏差太多 C释放小车和接通电源的次序有误,使得动能增量的测量值比真实值偏小名师归纳总结 D没有使用最小刻度为毫米的刻度尺测距离也是产生此误差的重要缘由第 9 页,共 15 页答案 30.180Mf2 200d6d424AB - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 解析 3假设用钩码的重力作为小车受的合力,就F合mg0.5 N,从 0点到打第 5 点时水平位移 xd50.360 m,所以 WF 合 x× 0.360 J0.180 J；打第 5 点时小车动能 Ek1 2Mv 25,v55 f,故 EkMf 2 200d6d42；d6d4 2t,式中 t 为 5 个时间间隔, 即 t4从该同学的试验操作情形来看, 造成很大误差的主要缘由是把钩码的重力当成了小车的合力,试验前没有平稳摩擦力,应选项A、B 正确； C、D 两个选项中提到的问题不能对试验结果造成重大影响,故不选 C、D；【解题法】“ 探究动能定理” 试验的几种参考方案 方案 1：试验装置如图甲所示；用传感器测量小车受到的拉力 F；用毫米刻度尺测量作用距离 L；用速度传感器测量小车经过探究的表达式为 FL 1 2mv 2A1 2mv2B；A、B 位置的速度 vA、v B；需名师归纳总结 方案 2：试验装置如图乙所示；测量重物自由下落的高度hB；测量获得的相应速度 v B；需探究的表达式为mghB1 2mv2B0；第 10 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 方案 3：讨论小车以不同的初速度沿粗糙水平面滑动的距离,得出小车的初动能大小与克服摩擦力做功的情形,平面上各处之间的动摩擦因数相同；也可探究动能定理； 这时必需保证小车与水1某同学把附有滑轮的长木板平放在试验桌上,将细绳一端拴在小车上,另一端绕过定滑轮,挂上适当的钩码,使小车在钩码的牵引下运动,以此定量探 究绳拉力做功与小车动能变化的关系；此外仍预备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸、纸带、小木块等；组装的试验装置如下图；1假设要完成该试验,必需的试验器材仍有哪些 2试验开头时, 他先调剂木板上定滑轮的高度,_；使牵引小车的细绳与木板平行；他这样做的目的是以下的哪个 _填字母代号 ；A防止小车在运动过程中发生抖动B可使打点计时器在纸带上打出的点迹清楚名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - C可以保证小车最终能够实现匀速直线运动D可在平稳摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力3平稳摩擦力后, 当他用多个钩码牵引小车时,发觉小车运动过快, 致使打出的纸带上点数较少, 难以选到合适的点运算小车速度；在保证所挂钩码数目不变的条件下,请你利用本试验的器材提出一个解决方法：_；4多项挑选 他将钩码重力做的功当做细绳拉力做的功,经多次试验发觉拉力做功总是要比小车动能增量大一些；这一情形可能是以下哪些缘由造成的_填字母代号 ；A在接通电源的同时释放了小车B小车释放时离打点计时器太近C阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平稳掉D钩码做匀加速运动,钩码重力大于细绳拉力答案 1刻度尺、天平 包括砝码 2D 3可在小车上加适量的砝码 或钩码 4CD 解析 1运算小车的动能变化需用天平测质量；在运算小车通过的位移、 小车的瞬时速度时都需用刻度尺测距离；2只有绳与板面平行时, 才能保证小车运动中与板面间的压力不变,才能保证小车所受摩擦力不变, 才能保证平稳摩擦力后绳的拉力等于小车所受合力,故D 正确；3要增加纸带上所打下点的数目,只有减小小车运动的加速度； 在所挂钩码数目不变的情形下只有增大小车的质量,即在车上增加砝码或钩码；4当将钩码重力作为小车所受合力时, 需满意几个条件：一是摩擦力被平稳,二是绳与板面平行, 此二者可保证绳对车的拉力等于车所受合力,但车加速运动 时钩码加速下降, 钩码重力大于绳上拉力, 就只有当钩码质量远小于小车质量时二者才近似相等,故此情形可能是由C、D 缘由造成的；2某学习小组利用气垫导轨装置来探究“ 做功与物体动能转变的关系” ,图 1 为试验装置示意图； 利用气垫导轨上的光电门可测出滑块上的细窄挡光片经过时的挡光时间；重力加速度为 试验步骤如下：g,气垫导轨水平放置,不计滑轮和导轨摩擦；名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - A测出挡光片的宽度为d,滑块与挡光片的质量为M；B轻细线的一端固定在滑块上,另一端绕过定滑轮挂上一砝码盘,盘和砝 码的总质量为 mm. M,细绳与导轨平行；C让滑块静止放在导轨左侧的某一位置,测出挡光片到光电门的距离为 x；D释放滑块,测出挡光片经过光电门的挡光时间为 t；E转变砝码的质量,保证滑块每次都在同一位置由静止释放,光电门可测 得对应的挡光时间；1滑块经过光电门时速度的运算式 表达 v_；用题目中所给的字母来2细线的拉力做功的表达式为 W_,滑块的动能转变的表达式为E k_；用题目中所给的字母来表示 3我们可以通过测得的多组数据来建立 1 t2-m 的关系图象来进行更精确的实验验证,就图 2 中哪一项更符合真实的试验情形 _；答案 1 d t 2mgx 2M d t 2 3丙名师归纳总结 解析1依据极短时间内的平均速度等于瞬时速度的大小,可知滑块经过光电门时速度的大小是vd t；第 13 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 2由题意可知, 细线的拉力做的功等于盘和砝码对应重力做的功 mgx；滑块的动能转变表达式为 Ek1 2Mv 21 2M t d2；3由动能定理得 mgx1 2M d t 2,所以1 t2 2gx d2Mm, 1 t2与 m 成正比；盘和砝码的总质量 m 增加,不能远小于小车的质量时,直线在末端发生弯曲,就此结果对应于图丙；3图中所示的装置可用来探究做功与速度变化的关系；倾角为 的斜面体固定在试验台上,将光电门固定在斜面体的底端O 点,将小球从斜面上的不同位置由静止释放； 释放点到光电门的距离 d 依次为 5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm；1用游标卡尺测量钢球的直径,如图乙所示,钢球的直径 D_cm；2该试验 _填“ 需要” 或者“ 不需要”测量小球质量；小球通过光电门经受的时间为 t,小球通过光电门的速度为 _填字母 ,不考虑误差的影响,从理论上来说,该结果 _填“ ” “ ” 或“ ”球心通过光电门的瞬时速度；3为了探究做功与速度变化的关系,依次记录的试验数据如下表所示；试验次数123456 d/× 102mv/m ·s1v2/m ·s12v/m ·s11/2从表格中数据分析能够得到关于“ 做功与速度变化的关系” 的结论是：名师归纳总结 _第 14 页,共 15 页答案10.56252不需要D3合外力做功与小球通过光电门速t- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 度的平方成正比解析× 0.01 mm0.125 mm,就读数为 5.5 mm0.125 mm5.625 mm0.5625 cm；2依据动能定理有 mgdsin1 2mv2,本试验要验证 v22gdsin,故不需要测量小球的质量；由平均速度表示经过光电门时的速度,故小球通过光电门的速度为 vD t；依据匀变速直线运动的规律得钢球通过光电门的平均速度等于这个过程中间时刻的速度,所以钢球通过光电门的平均速度小于钢球球心通过光电门的瞬时速度；3依据表格中记录的数据可得, 物体的位移 d 与物体的速度以及速度的平方根都不存在正比例的关系, 与速度的平方接近正比例关系,所以可挑选 d 为坐标系的纵坐标； 将表格中的数据在d-v2坐标系中描点连线； 从图象得到的直接结论是 d 与 v2成正比,从而间接得到做功与物体速度变化的规律是合外力做功与速 度的平方成正比；名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 15 页