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1、实验五：探究动能定理,一、基本原理与操作,二、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.,三、注意事项,1.平衡摩擦力：将木板一端垫高，使小车重力沿斜面向下 的分力与摩擦阻力平衡.方法是轻推小车，由打点计时器打在纸 带上的点的均匀程度判断小车是否匀速运动，找到木板一个合 适的倾角.,2.选点测速：测小车速度时，纸带上的点应选均匀部分的，,也就是选小车做匀速运动状态的.,3.橡皮筋的选择：橡皮筋规格相同时，力对小车
2、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.,考点 1,基本实验原理与实验操作的考查,【典题 1】(2017 年陕西西安高新一中一模)某学习小组做 探究“合力做功和物体速度变化关系”的实验如图 S5-1 所示， 图中小车在一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.,图 S5-1,(1)除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、刻度,尺和_(填“交流”或“直流”)电源.,(2
3、)实验中，小车会受到摩擦阻力的作用，可以使木板适当 倾斜来平衡掉摩擦阻力，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，小车在两条橡皮筋的作用下运动，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,答案：(1)交流,(2)D (3)B,考点 2,基本实验数据处理与误差分析,【典题 2】如图 S5-2 所示是某研
4、究性学习小组做探究“橡 皮筋做功和物体速度变化的关系”的实验，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、实验时，每 次橡皮筋都拉伸到同一位置释放.小车 每次实验中获得的速度由打点计时器所,打点的纸带测出.,图 S5-2,(1)除了导线、开关及图 S5-2 中已给出的实验器材外，还需,要的器材有_.,(2)平衡摩擦力后，每次实验得到的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_部分 进行测量.,(3)下面是本实验的数据记录表，请将第 2 次、第 3
5、 次、,实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_，请你根据表中测定的数据在如图 S5-3 所 示的坐标系中作出相应的图象验证理论的正确性.,图 S5-3,解析：小车先加速后匀速，因为要测量小车最后获得的速 度，也就是最后做匀速运动的速度，故需要用刻度尺测出纸带 上点距均匀的间隔长度，然后除以时间间隔就是小车最后获得 的速度，本实验的原理就是根据橡皮筋条数成倍增加，橡皮筋 对小车做的功成倍增加，因为合力做的功等于小车获得的动能， 故小车获得的动能一定成倍增加，小车获得速度的二次方一定,成倍增加，可画出 W-v2 图象进行验证.
6、,答案：(1)刻度尺,(2)点距均匀 (3)2W 3W,4W 5W,(4),如图 D34 所示.,图 D34,方法技巧：(1)利用图象探究物理量间的关系时，首先确定,横、纵坐标轴对应的物理量及单位.,(2)根据表中数据确定横、纵坐标轴的标度. (3)认真描出各坐标点.,(4)连线时要注意连线原则，偏离直线较远的点要舍去.,本实验可从多个角度进行创新，比如可以利用验证牛顿第 二定律的实验装置在平衡好摩擦力后，在满足重物的质量远小 于小车的质量时将重物的重力作为对小车的拉力，此时可选小 车作为研究对象，如果不能满足重物的质量远小于小车的质量， 可将重物和小车整体作为研究对象，此时也可在小车与重物之
7、 间加上一个力传感器测出小车受到的合力，在测量小车的速度 时，可用速度传感器或光电门进行测量，也可借助平抛运动的 特点来测量.,考向 1,实验装置的创新利用重物牵引小车,【典题 3】(2017 年北京卷)如图 S5-4 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. 图 S5-4,(1)打点计时器使用的电源是_.,A.直流电源,B.交流电源,(2)实验中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正确操作方法是 _.,A.把长木板右端垫高,B.改变小车的质量,在不挂重物且_(填选项前的字母)的情况下，轻推
8、一下小车，若小车拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦 力和其他阻力的影响.,A.计时器不打点,B.计时器打点,(3)接通电源，释放小车，打点计时器在纸带上打下一系列 的点，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S55所示.,图 S5-5,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.从打 O 点到打 B 点的过程中，拉力对小车做的功 W_，打 B 点时小车的速度 v_.,(4)以 v2 为纵坐标，W 为横坐标，利用实验数据作出如图 S5-6 所示的
9、v2-W 图象.由此图象可得 v2 随 W 变化的表达式为 _.根据功与能的关系，动能的表达式 中可能包含 v2 这个因子；分析实验结果的单位关系，与图线斜 率有关的物理量应是_.,图 S5-6,(5)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，下列各 图中正确反映 v2-W 关系的是_.,A,B,C,D,解析：(1)打点计时器均使用交流电源，选 B. (2)平衡摩擦力和其他阻力，是通过垫高木板右端，构成斜 面，使重力沿斜面向下的分力跟它们平衡，选 A；平衡摩擦力 时需要让打点计时器工作，纸带跟打点计时器限位孔间会有摩 擦力，且可以通过纸带
10、上打出的点迹判断小车的运动是否为匀 速直线运动，选 B. (3)小车拖动纸带移动的距离等于重物下落的距离，又小车 所受拉力约等于重物重力，因此 Wmgx2；小车做匀变速直线 运动，因此打 B 点时小车的速度为打 AC 段的平均速度，即,考向 2,实验装置的创新利用光电门和气垫导轨,【典题 4】(2017 年云南昆明模拟)利用气垫导轨探究动能 定理，实验装置如图 S5-7 所示.实验步骤如下： 图 S5-7 调整水平桌面上的气垫导轨至水平. 测量挡光条的宽度 l，两光电门间的中心间距 s，用天平 称出滑块和挡光条的总质量 M，托盘和砝码的总质量 m.,将滑块移至光电门 1 左侧某位置，由静止释放
11、滑块，从 计时器中分别读出挡光条通过两光电门的时间t1、t2.,用测量的物理量求解下列物理量：,(1)滑块通过光电门 1 和 2 时瞬时速度分别为 v1_，,v2 _.,(2)滑块通过光电门 1 和 2 时，系统(包括滑块、挡光条、托 盘和砝码)的总动能分别为 Ek1_，Ek2_.外力对系 统做的功为 W_.,(3)实验中，验证动能定理是否成立的关系式为_.,在滑块从光电门 1 运动到光电门 2 的过程中，外力对系统 做的总功 Wmghmgs. (3)如果WEkEk2Ek1，则可认为验证了动能定理.,考向 3,实验装置的创新利用传感器,【典题 5】某实验小组利用拉力传感器和速度传感器来探 究动
12、能定理.如图 S5-8 所示，他们将拉力传感器固定在小车上， 用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连，用拉力传 感器记录小车受到的拉力的大小.在水平桌面上相距 50.0 cm 的 A、B 两点各安装一个速度传感器，记录小车通过 A、B 时的速 度大小.小车中可以放置砝码. 图 S5-8,(1)实验主要步骤如下：,测量小车和拉力传感器的总质量 m1；把细线的一端固定 在拉力传感器上，另一端通过定滑轮与钩码相连；正确连接所 需装置.,将小车停在 C 点，接通电源，然后释放小车，小车在细 线拉动下运动，记录细线拉力及小车通过 A、B 时的速度.,在小车中增加砝码，或减少砝码，重复的操作.,数据
13、记录表,(3)根据表中数据在图 S5-9 中的坐标纸上作出Ek-W 图线.,图 S5-9,W3F3LAB1.2200.500 J0.610 J. (3)如图 D35 所示.,答案：(2)0.600 0.610 (3)如图 D35 所示.,图 D35,考向 4,实验方案的创新,【典题 6】为了探究动能改变与合外力做功的关系，某同 学设计了如下实验方案： 第一步：把带有定滑轮的木板有滑轮的一端垫起，把质量 为 M 的滑块通过细绳与质量为 m 的带夹子的重锤跨过定滑轮相 连，重锤后连一穿过打点计时器的纸带，调整木板倾角，直到 轻推滑块后，滑块沿木板向下匀速运动，如图 S5-10 甲所示.,第二步：保
14、持长木板的倾角不变，将打点计时器安装在长 木板靠近滑轮处，取下细绳和重锤，将滑块与纸带相连，使纸 带穿过打点计时器，然后接通电源，释放滑块，使之从静止开 始向下加速运动，打出纸带，如图乙所示.打出的纸带如图丙所 示.,甲,乙,丙,图 S5-10,请回答下列问题：,(1)已知 O、A、B、C、D、E、F 相邻计数点间的时间间隔 为t，O 点为打点计时器打下的第一点，根据纸带求滑块运动 的速度，打点计时器打 B 点时滑块运动的速度 vB_. (2)已知重锤质量为 m，当地的重力加速度为 g，要测出某 一过程合外力对滑块做的功还必须测出这一过程滑块_ (写出物理量名称及符号，只写一个物理量)，合外力对滑块做 功的表达式 W合_.,(3)算出滑块运动 OA、OB、OC、OD、OE 段合外力对滑块 所做的功 W 以及在 A、B、C、D、E 各点的速度 v，以 v2 为纵 轴、W 为横轴建立直角坐标系，描点画出 v2-W 图象，可知该图 象是一条_，根据图象还可求得_.,(2)下滑的位移 x,mgx,(3)过原点的倾斜直线,滑块的质量 M,