物理實驗5 探究動能定理

實驗實驗5 5探究動能定理探究動能定理-2-一、實驗?zāi)康?.探究外力對物體做功與物體速度變化的關(guān)系。2.通過實驗數(shù)據(jù)分析,總結(jié)出合外力做功與物體速度二次方的正比關(guān)系。二、實驗原理1.改變功的大小:采用如圖所示的實驗裝置,用1條、2條、3條規(guī)格同樣的橡皮筋將小車?yán)酵晃恢糜伸o止釋放,橡皮筋拉力對小車所做的功依次為W0、2W0、3W0、。-3-2.確定速度的大小:小車獲得的速度v可以由紙帶和打點計時器測出,也可以用其他方法測出。3.尋找功與速度變化的關(guān)系:以橡皮筋拉力所做的功W為縱坐標(biāo),小車獲得的速度v為橫坐標(biāo),作出W-v或W-v2圖象。分析圖象,得出橡皮筋拉力對小車所做的功與小車獲得的速度的定量關(guān)系。三、實驗器材小車(前面帶小鉤)、長木板(兩側(cè)適當(dāng)?shù)膶ΨQ位置釘兩個鐵釘)、打點計時器及紙帶、學(xué)生電源及導(dǎo)線(若使用電火花計時器則不用學(xué)生電源)、若干條規(guī)格相同的橡皮筋、毫米刻度尺。-4-四、實驗步驟1.按原理圖將儀器安裝好。2.平衡摩擦力:在長木板有打點計時器的一端下面墊一塊木板,反復(fù)移動木板的位置,直至小車上不掛橡皮筋時,輕推小車,紙帶打出的點間距均勻,即小車能勻速運(yùn)動。3.先用1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(shè)此時橡皮筋對小車做的功為W0,將這一組數(shù)據(jù)記入表格。4.用2條橡皮筋做實驗,實驗中橡皮筋拉伸的長度與第一次相同,這時橡皮筋對小車做的功為2W0,測出小車獲得的速度v2,將數(shù)據(jù)記入表格。5.用3條、4條橡皮筋做實驗,用同樣的方法測出功和速度,記入表格。-5-五、數(shù)據(jù)處理1.測量小車的速度:實驗獲得如圖所示的紙帶,為探究橡皮筋彈力做的功和小車速度的關(guān)系,需要測量彈力做功結(jié)束時小車的速度,即小車做勻速運(yùn)動的速度,應(yīng)在紙帶上測量的物理量:A1、A2間的距離x,小車速度的表達(dá)式是v= (T為打點計時器打點的時間間隔)。2.記錄實驗數(shù)據(jù):把計算出的速度填入表格中并算出v2的值。-6-3.數(shù)據(jù)處理:在坐標(biāo)紙上畫出W-v或W-v2圖線(“W”以一條橡皮筋做的功為單位)。4.實驗結(jié)論:合外力對物體做的功與物體速度變化的關(guān)系為Wv2。-7-六、誤差分析1.誤差的主要來源是橡皮筋的長度、粗細(xì)不一致,使橡皮筋的拉力做功W與橡皮筋的條數(shù)不成正比。2.沒有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力時傾角過大也會造成誤差。3.利用打點的紙帶計算小車的速度時,測量不準(zhǔn)帶來誤差。-8-七、注意事項1.平衡摩擦力:將木板一端墊高,使小車的重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡。方法:使小車連著紙帶并接通電源,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(yùn)動,找到長木板的一個合適的傾角。2.選點測速:測小車的速度時,紙帶上的點應(yīng)選均勻部分的,也就是選小車做勻速運(yùn)動時的部分。3.橡皮筋的選擇:橡皮筋應(yīng)選規(guī)格一樣的。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。4.先后順序:開始實驗時,小車應(yīng)靠近打點計時器,并且要先接通電源再釋放小車。5.小車的選擇:小車質(zhì)量應(yīng)適當(dāng)大一些,使紙帶上打的點多一些。-9-1.在該實驗中是如何判斷小車做勻速直線運(yùn)動的?提示：根據(jù)紙帶上的點是否均勻來判斷,如果均勻,說明小車做勻速直線運(yùn)動。2.如果把長木板換成氣墊導(dǎo)軌,是否還需要平衡摩擦力?提示：不需要平衡摩擦力。-10-考點一考點二考點三實驗原理與操作實驗原理與操作例1某學(xué)習(xí)小組做探究功與速度變化的關(guān)系的實驗如圖所示,圖中小車是在一條橡皮筋作用下彈出的,沿木板滑行,橡皮筋對小車做的功記為W0。當(dāng)用2條、3條完全相同的橡皮筋并在一起進(jìn)行第2次、第3次實驗時(每次實驗中橡皮筋伸長的長度都保持一致),每次實驗中小車獲得的速度根據(jù)打點計時器打在紙帶上的點進(jìn)行計算。-11-考點一考點二考點三(1)除了圖中已有的實驗器材外,還需要導(dǎo)線、開關(guān)、刻度尺和(選填“交流”或“直流”)電源。 (2)實驗中,小車會受到摩擦力的作用,可以使木板適當(dāng)傾斜來平衡摩擦力,下面操作正確的是()A.放開小車,能夠自由下滑即可B.放開小車,能夠勻速下滑即可C.放開拖著紙帶的小車,能夠自由下滑即可D.放開拖著紙帶的小車,能夠勻速下滑即可(3)若木板水平放置,小車在兩條橡皮筋作用下運(yùn)動,當(dāng)小車速度最大時,關(guān)于橡皮筋所處的狀態(tài)與小車所在的位置,下列說法正確的是()A.橡皮筋處于原長狀態(tài)B.橡皮筋仍處于伸長狀態(tài)-12-考點一考點二考點三(4)在正確操作的情況下,打在紙帶上的點并不都是均勻的,為了測量小車獲得的速度,應(yīng)選用紙帶的部分進(jìn)行測量(根據(jù)如圖所示的紙帶回答)。 答案解析解析關(guān)閉(1)打點計時器使用的是交流電源。(2)平衡摩擦力時,應(yīng)將紙帶穿過打點計時器,放開拖著紙帶的小車,小車能夠勻速下滑即可,D正確。(3)水平放置木板,放開小車后,小車做加速運(yùn)動,當(dāng)橡皮筋的拉力大小等于摩擦力大小時,小車的速度最大,此時橡皮筋仍處于伸長狀態(tài),B正確。(4)從紙帶上看,紙帶的GJ段打點比較均勻,所以應(yīng)選用紙帶的GJ段進(jìn)行測量。 答案解析關(guān)閉(1)交流(2)D(3)B(4)GJ-13-考點一考點二考點三數(shù)據(jù)處理與誤差分析數(shù)據(jù)處理與誤差分析例2圖1是某研究性學(xué)習(xí)小組的同學(xué)做探究橡皮筋做功和物體速度變化的關(guān)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,橡皮筋對小車做功記為W。當(dāng)用2條、3條n條完全相同的橡皮筋并在一起進(jìn)行第2次、第3次第n次實驗時,每次橡皮筋都被拉伸到同一位置釋放。小車每次實驗中獲得的速度可以由打點計時器所打的紙帶測出,圖2甲為某次實驗中打出的紙帶。-14-考點一考點二考點三(1)除了圖中已給出的實驗器材和電源外,還需要的器材有。 (2)實驗時為了使小車只在橡皮筋作用下運(yùn)動,應(yīng)采取的措施是。 (3)每次實驗得到的紙帶上的點分布并不都是均勻的,為了測量小車最終獲得的末速度,應(yīng)選用紙帶的部分進(jìn)行測量。 -15-考點一考點二考點三(4)下面是本實驗的數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理表。 -16-考點一考點二考點三從理論上講,橡皮筋做的功Wn與物體獲得的速度vn之間的關(guān)系是Wn,請你運(yùn)用表中的數(shù)據(jù)在如圖2乙所示的坐標(biāo)系中作出相應(yīng)的圖象,以驗證理論的正確性。 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-17-考點一考點二考點三規(guī)律總結(jié)處理實驗數(shù)據(jù)的方法有平均值法、列表法和圖象法,本題主要用了后兩種方法處理實驗數(shù)據(jù)。列表法的優(yōu)點是將數(shù)據(jù)列成表格,可以簡明地表示出有關(guān)物理量之間的關(guān)系,便于檢查測量結(jié)果和運(yùn)算是否合理,有助于發(fā)現(xiàn)和分析問題,而且列表法還是圖象法的基礎(chǔ)。圖象法的優(yōu)點是通過作圖可以找到或反映物理量之間的變化關(guān)系,并便于找出其中的規(guī)律,確定對應(yīng)量的函數(shù)關(guān)系。-18-考點一考點二考點三實驗的改進(jìn)與創(chuàng)新實驗的改進(jìn)與創(chuàng)新本實驗易與其他力學(xué)知識綜合考查,出題方式靈活,往往在教材實驗基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)新情境。實驗的器材和數(shù)據(jù)處理及實驗方案都有可能進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。1.實驗器材及裝置的改進(jìn)-19-考點一考點二考點三2.數(shù)據(jù)測量的改進(jìn)由光電門測速度v= ;速度傳感器直接顯示速度大小 用紙帶測速度。3.實驗方案的改進(jìn)利用光電門和氣墊導(dǎo)軌探究功和動能的關(guān)系。-20-考點一考點二考點三例3某學(xué)習(xí)小組利用如圖所示的裝置探究動能定理。 -21-考點一考點二考點三(1)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)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(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量?(選填“是”或“否”)。 答案解析解析關(guān)閉(1)兩光電門中心之間的距離x=70.30 cm-20.30 cm=50.00 cm。(2)由于該實驗探究的是動能定理,故還需要知道滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量。(3)由于拉力可以通過拉力傳感器的讀數(shù)直接得到,故不需要滿足砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量。 答案解析關(guān)閉(1)50.00(2)滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量(3)否-22-考點一考點二考點三例4某興趣小組準(zhǔn)備探究合外力做功和物體速度變化的關(guān)系,實驗前組員們提出了以下幾種猜想:Wv;Wv2;W 。為了驗證猜想,他們設(shè)計了如圖甲所示的實驗裝置。PQ為一塊傾斜放置的木板,在Q處固定一個速度傳感器(用來測量物體每次通過Q點的速度)。在剛開始實驗時,小剛同學(xué)提出“不需要測出物體的質(zhì)量,只要測出物體初始位置到速度傳感器的距離l和讀出速度傳感器的讀數(shù)v就行了”,大家經(jīng)過討論采納了小剛的建議。-23-考點一考點二考點三(1)請你說明小剛建議的理由:;(2)讓物體分別從不同高度無初速度釋放,測出物體初始位置到速度傳感器的距離l1、l2、l3、l4、,讀出物體每次通過Q點的速度v1、v2、v3、v4、,并繪制了如圖乙所示的l-v圖象。若為了更直觀地看出l和v的變化關(guān)系,他們下一步應(yīng)該作出;(3)實驗中,木板與物體間摩擦力(選填“會”或“不會”)影響探究的結(jié)果。 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-24-考點一考點二考點三特別提醒解決創(chuàng)新探究實驗題的關(guān)鍵是能將學(xué)過的實驗知識和方法在不同的情境下遷移應(yīng)用,如本實驗可以把定性分析改為定量計算,利用氣墊導(dǎo)軌可減小摩擦,利用光電門替代打點計時器。不管如何創(chuàng)新,實驗的結(jié)論是不會改變的。-25-12341.(2017福建廈門模擬)探究做功和物體速度變化的關(guān)系的實驗裝置如圖甲所示,小車在1條橡皮筋作用下彈出,小車獲得的速度為v,由打點計時器所打點的紙帶測出,橡皮筋對小車做的功記為W。實驗時,將木板左端調(diào)整到適當(dāng)高度,每次橡皮筋都拉伸到同一位置釋放。當(dāng)我們把2條、3條完全相同的橡皮筋并在一起進(jìn)行第2次、第3次多次實驗時,請回答下列問題:-26-1234(1)除了圖甲中已給出的器材外,還需要的器材:交流電源、。 (2)圖乙是小車在某次運(yùn)動過程中打點計時器在紙帶上打出的一系列的點,打點的時間間隔為0.02 s,則小車離開橡皮筋時的速度為 m/s(保留兩位有效數(shù)字)。 (3)(多選)將幾次實驗中橡皮筋對小車所做的功W和小車離開橡皮筋時的速度v進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,以W為縱坐標(biāo)、v或v2為橫坐標(biāo)作圖,可能符合實際情況的是。 -27-答案 (1)刻度尺(2)0.36(3)AD -28-12342.測量滑塊在運(yùn)動過程中所受的合外力是探究動能定理實驗要解決的一個重要問題。為此某同學(xué)設(shè)計了如下實驗方案:-29-1234A.實驗裝置如圖甲所示,滑塊后面夾紙帶,紙帶穿過打點計時器。一端系在滑塊上的細(xì)繩通過轉(zhuǎn)軸光滑的輕質(zhì)滑輪掛上鉤碼,用墊塊將長木板固定有定滑輪的一端墊起。調(diào)整長木板的傾角,打開打點計時器后輕推滑塊,滑塊沿長木板向下做勻速直線運(yùn)動;B.保持長木板的傾角不變,取下細(xì)繩和鉤碼,打開打點計時器,讓滑塊只拖著紙帶沿長木板向下做勻加速直線運(yùn)動。請回答下列問題:滑塊做勻速直線運(yùn)動時,打點計時器在紙帶上所打出點的分布應(yīng)該是。 滑塊在勻加速下滑過程中所受的合外力大小(選填“大小”“等于”或“小于”)鉤碼的重力大小。 -30-1234當(dāng)滑塊沿長木板向下做勻加速直線運(yùn)動時,某同學(xué)打出的一條紙帶如圖乙所示,用刻度尺測得計數(shù)點1,2,3,4到計數(shù)起點0的距離分別為3.15 cm、12.40 cm、27.70 cm、49.05 cm,由此可得物體的加速度為 m/s2。(計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)若滑塊質(zhì)量為m0、鉤碼質(zhì)量為m,當(dāng)打點計時器打下1、3點時滑塊的速度分別為v1和v2,1、3兩點之間距離為s,重力加速度為g,探究結(jié)果的表達(dá)式是。(用相應(yīng)的符號表示) 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-31-12343.(2017寧夏銀川一模)某探究學(xué)習(xí)小組的同學(xué)欲以如圖所示的裝置中的滑塊為對象探究動能定理,他們還找到了打點計時器所用的學(xué)生電源、天平、刻度尺、導(dǎo)線、復(fù)寫紙、紙帶、細(xì)沙。當(dāng)滑塊連接上紙帶,用細(xì)線通過滑輪掛上空的小沙桶時,釋放小桶,滑塊處于靜止?fàn)顟B(tài)。若你是小組中的一位成員,要完成該項實驗,則:(1)實驗時為了保證滑塊受到的合力與沙和沙桶的總重力大小基本相等,則沙和沙桶的總質(zhì)量應(yīng)滿足的實驗條件是,實驗時首先要做的步驟是 。 -32-1234(2)在(1)的基礎(chǔ)上,某同學(xué)用天平稱量滑塊的質(zhì)量m0。往沙桶中裝入適量的細(xì)沙,用天平稱出此時沙和沙桶的總質(zhì)量m。讓沙桶帶動滑塊加速運(yùn)動,用打點計時器記錄其運(yùn)動情況,在打點計時器打出的紙帶上取兩點,測出這兩點的間距l(xiāng)和這兩點的速度大小v1與v2(v1v2)。則對滑塊,本實驗最終要探究的數(shù)學(xué)表達(dá)式為(用題中的字母表示)。 -33-1234(3)如果以合力對滑塊做的功W為縱軸,以(選填“v”或“v2”)為橫軸,圖線就是一條直線(如圖),其斜率為(用題中的字母表示)。 (4)如果實驗時所用滑塊質(zhì)量為m0,沙及沙桶總質(zhì)量為m,讓沙桶帶動滑塊在水平氣墊導(dǎo)軌上加速運(yùn)動,也可以用來探究滑塊與沙及沙桶組成的系統(tǒng)機(jī)械能是否守恒。用打點計時器記錄其運(yùn)動情況,在打點計時器打出的紙帶上取兩點,測出這兩點的間距l(xiāng)和這兩點的速度大小v1與v2(v1v2)。要探究滑塊與沙及沙桶組成的系統(tǒng)機(jī)械能是否守恒,則最終需驗證的數(shù)學(xué)表達(dá)式為(用題中的字母表示)。 -34-1234-35-1234-36-12344.為了探究動能改變與合外力做功的關(guān)系,某同學(xué)設(shè)計了如下實驗方案:第一步:把帶有定滑輪的木板有滑輪的一端墊起,把質(zhì)量為m0的滑塊通過細(xì)繩與質(zhì)量為m的帶夾重錘跨過定滑輪相連,重錘后連一穿過打點計時器的紙帶,調(diào)整木板傾角,直到輕推滑塊后,滑塊沿木板向下勻速運(yùn)動,如圖甲所示。第二步:保持長木板的傾角不變,將打點計時器安裝在長木板靠近滑輪處,取下細(xì)繩和重錘,將滑塊與紙帶相連,使紙帶穿過打點計時器,然后接通電源,釋放滑塊,使之從靜止開始向下加速運(yùn)動,打出紙帶,如圖乙所示。打出的紙帶如圖丙所示。-37-1234-38-1234請回答下列問題:(1)已知O、A、B、C、D、E、F相鄰計數(shù)點間的時間間隔為t,根據(jù)紙帶求滑塊運(yùn)動的速度,打點計時器打B點時滑塊運(yùn)動的速度vB=。 (2)已知重錘質(zhì)量為m,當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間,要測出某一過程合外力對滑塊做的功還必須測出這一過程滑塊(寫出物理名稱及符號,只寫一個物理量),合外力對滑塊做功的表達(dá)式W合=。 (3)算出滑塊運(yùn)動OA、OB、OC、OD、OE段合外力對滑塊所做的功W以及在A、B、C、D、E各點的速度v,以v2為縱軸、W為橫軸建立直角坐標(biāo)系,描點作出v2-W圖象,可知該圖象是一條,根據(jù)圖象還可求得。 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉