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1、实验五 探究动能定理,实验溯本求源实验热点探究课时巩固训练教师备用习题,一、实验目的 探究外力对物体做功与物体 的关系,通过实验数据分析,总结出做功与物体速度平方的正比关系. 实验方案一 探究恒力做功与速度变化 1.实验原理 重物通过滑轮牵引小车,当小车的质量比重物 的质量大得多且摩擦力忽略不计时,可以把重物所受的 当作小车受到的牵引力.如图S5-1所示. 改变重物的质量或者改变小车运动的 ,也就改变了牵引力做的功,从而探究牵引力做的功与小车获得的速度间的关系.,动能变化(或速度变化),图S5-1,重力,距离,2.实验器材 小车、一端带滑轮的长木板、砝码、钩码、 、打点计时器、纸带、 等. 3
2、.实验步骤 (1)垫高木板不带滑轮的一端, . (2)在小车中放入砝码,把纸带穿过打点计时器,连在小车后端,用细线绕过滑轮连接小车和钩码. (3)将小车停在打点计时器附近,先接通电源,再释放小车,关闭打点计时器电源. (4)改变钩码的数量,更换纸带重复进行操作.,天平,刻度尺,平衡摩擦力,4.注意事项 (1)实验前必须首先平衡摩擦力. (2)必须保证所悬挂钩码的重力远小于小车的重力,这时钩码的重力才近似等于小车所受的合外力. 5.数据处理 (1)小车受到的合外力F:大小近似等于所挂钩码的重力mg,故用天平测出钩码的质量m,可得Fmg. (2)通过纸带测小车的位移l. (3)求出合力对小车做的功
3、W=Fl=mgl.,图S5-2,(1)一根橡皮筋作用在小车上移动距离x做功为W. (2)两根橡皮筋作用在小车上移动距离x做功应为 . (3)三根橡皮筋作用在小车上移动距离x做功应为 . (4)利用打点计时器求出小车离开橡皮筋的速度,列表、作图,由图像可以确定功与速度变化的关系. 2.实验器材 、小车、木板、 、纸带、 、铁钉等.,2W,3W,橡皮筋,打点计时器,刻度尺,3.实验步骤 (1)垫高木板的一端,平衡 . (2)拉伸的橡皮筋对小车做功: 用一条橡皮筋拉小车做功为W. 用两条橡皮筋拉小车做功为2W. 用三条橡皮筋拉小车做功为3W. (3)测出每次做功后小车获得的 . (4)分别用各次实验
4、测得的v和W绘制W-v或W-v2、W-v3图像,直到明确得出W和v的关系.,摩擦力,速度,4.实验注意事项 (1)将木板一端垫高,使小车的重力沿斜面向下的分力与 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做 运动,找到长木板的一个合适的倾角. (2)测小车速度时,应选纸带上点迹均匀的部分,也就是选小车做 运动的部分. (3)橡皮筋应选规格相同的.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.,摩擦阻力,匀速,5.实验探究的技巧与方法 (1)不直接计算W的数值,而只是看第2次、第3次实验中的W是第1次的
5、多少倍,简化数据的测量和处理. (2)作W-v图像,或W-v2、W-v3图像,直到作出的图像是一条倾斜的直线. 6.实验结论 物体速度v与外力做功W间的关系:W与v2成正比.,热点一 实验原理与实验操作,例1 某实验小组用如图S5-3所示的实验装置和实验器材做“探究做功与物体速度变化的关系”实验.在实验中,该小组同学把沙 和沙桶的总重力当作小车受到的合外力. (1)为了保证实验结果的误差尽量小,在实验 操作中,下面的做法必要的是 (填选项 前的字母). A.实验前要对装置进行平衡摩擦力的操作 B.实验操作时要先释放小车,后接通电源,图S5-3,C.在利用纸带进行数据处理时,所选的两个研究点离得
6、越近越好 D.在实验过程中要保证沙和沙桶的总质量远小于小车的质量 (2)除实验装置中的仪器外,还需要的测量仪器有 . (3)图S5-4为实验中打出的一条纸带,现选取纸带中的A、B两点来探究功与速度变化的关系.已知打点计时器的打点周期为T,重力加速度为g.图中已经标明了要测量的物理量,另外,小车的质量为M,沙和沙桶的总质量为m.请你把要探究的结果用题中给出的字母表达出来: .,图S5-4,解析 (1)实验前要对装置进行平衡摩擦力的操作,以保证小车所受合外力恰好是细线的拉力,故A正确;实验操作时,若先放开小车,再接通打点计时器电源,由于小车运动较快,可能打出来的点很少,不利于数据的采集和处理,故B
7、错误;在利用纸带进行数据处理时,所选的两个研究点离得越近测量误差越大,故C错误;在实验过程中要保证沙和沙桶的总质量远小于小车的质量,这样才能使得沙和沙桶的总重力近似等于细线对小车的拉力,故D正确.(2)本实验需要测沙和沙桶的总质量、小车的质量,还需要测纸带上各点的距离,所以所需的器材还应有天平和刻度尺.,变式题 某学习小组做“探究做功与物体速度变化的关系”实验的装置如图S5-5所示,图中小车在一条橡皮筋作用下弹出,弹出后沿木板滑行,橡皮筋对小车做的功记为W.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(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
8、时器打在纸带上的点进行计算.,图S5-5,(1)除了图中已有的实验器材外,还需要导线、开关、刻度尺和 (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,则下面操作正确的是 (填选项前的字母). A.放开小车,小车能够自由下滑即可 B.放开小车,小车能够匀速下滑即可 C.放开拖着纸带的小车,小车能够自由下滑即可 D.放开拖着纸带的小车,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 (填选项前的字母). A.橡皮筋处于原长状态 B.橡皮筋仍处于伸
9、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 (4)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 部分进行测量.(根据如图S5-6所示的纸带回答),图S5-6,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)水平放置木板,放开小车后,小车做加速运动,当橡皮筋的拉力等于摩擦力时,小车的速度最大,此时橡皮筋仍处于伸长状态,小车没过两个铁钉的连线,B正确,A、C、D错误. (4)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
10、.,热点二 数据处理与误差分析,例2 某同学为探究做功与物体速度变化的关系,设计了如下实验,他的操作步骤是: A.安装好实验装置如图S5-7所示. B.将质量为200 g的小车拉到打点计时器附近,并按住小车. C.在质量为10 g、30 g、50 g的三种钩码中,他挑选 了一个质量为50 g的钩码挂在绳子的挂钩P上. D.打开打点计时器的电源,释放小车,打出一条纸带.,图S5-7,(1)在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条.经测量、计算,得到如下数据:(g取10 m/s2) 第1个点到第N个点的距离为40.0 cm.打下第N点时小车的速度大小为1.00 m/s. 该同学将钩码的重力当
11、作小车所受的拉力,算出拉力对小车做的功为 J,小车动能的增量为 J. (2)此次实验探究结果,他没能得到“恒力对物体做的功等于物体动能的增量”,且误差很大,显然在实验探究过程中忽视了各种产生误差的因素.请你根据该同学的实验装置和操作过程帮助分析一下,造成较大误差的主要原因是(至少答两条原因): . .,答案 (1)0.20 0.10 (2)小车质量没有远大于钩码质量 没有平衡摩擦力,变式题 如图S5-8所示是某研究性学习小组做“探究做功与物体速度变化的关系”实验时,小车在一条橡皮筋作用下弹出并沿木板滑行的情形.这时,橡皮筋对小车做的功记为W.当把2条、3条完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第
12、3次实验时,每次橡皮筋都拉伸到同一位置释放. 小车在每次实验中获得的速度由打点计时 器打出的纸带测出.,图S5-8,(1)除了图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S5-9所示的坐标系中作出相应的图像验证理论的正确性.,图S5-9,答案 (1)刻度尺 (2)点距均匀 (3)2W 3W 4W 5
13、W (4) 图略,热点三 实验拓展与实验创新,图S5-10,(1)为减小实验误差,弹射装置距离轨道端点O应该 (选填“近些”或“远些”). (2)实验中 (选填“需要”或“不需要”)测量桌面的高度. (3)改变弹簧的压缩量x,并测出对应的小球做平抛运动的水平位移s,在图S5-11的坐标纸中根据已描出的点作出合理的图线.,图S5-11,1.做“探究功和速度变化的关系”实验时,有如图S5-12甲、乙所示的两套实验装置.请回答下列问题. (1)两种实验装置都必须满足的条件或进行的操作是 (填选项前的字母). A.都需要平衡摩擦力 B.小车的质量必须足够大,甲图中小车的质量要远大于橡皮筋的质量,乙图中
14、小车的质量要远大于钩码的质量 C.木板必须是光滑的 D.所用的打点计时器都必须使用交流电源,图S5-12,(2)用图甲实验装置打的纸带如图丙所示,其中在AG段小车做加速运动,在GJ段小车做匀速运动,那么应该用 (选填“AG” 或“GJ”)段来计算小车的速度. (3)用图乙实验装置打出的纸带如图丁所示.某同学想利用BE段验证动能定理,测出纸带上A、C间的距离为s1,D、F间的距离为s2,B、E间的距离为s3;该同学又用天平分别测出小车质量为M, 钩码的总质量为m;已知打点计时器的打点频率为f,重力加速度为g.从打B点到打E点的过程中,合力对小车做的功是 ,小车动能的增量是 .(用题中的物理量符号
15、表示),2.用如图S5-13甲所示装置探究功与速度变化的关系,进行的主要操作步骤如下: a.不挂橡皮筋,调整木板的倾斜程度,使小车拖动纸带匀速运动; b.将小车拉至靠近打点计时器处,接通打点计时器电源,放开小车; c.加挂一条、两条相同的橡皮筋,重复b步骤.,图S5-13,(2)若挂一条橡皮筋时E点之后相邻两点之间的距离均为x1,挂两条时E点之后相邻两点之间的距离均为x2,则x1x2= . (3)若测得A、B、C、D四点之间的距离分别为xAB、xBC、xCD,则 (填选项前的字母). A. xBC-xAB =xCD-xBC B. xBC-xABxCD-xBC,3.2018福州十中月考 探究外力
16、做功与物体动能变化关系的实验装置如图S5-14所示,根据实验中力传感器读数和纸带的测量数据 可求得外力对小车做的功和小车动能的变化. (1)关于该实验,下列说法中正确的是 (填选 项前的字母). A.调整滑轮高度,使连接小车的细线与木板平行 B.实验中要始终满足钩码的质量远小于小车的质量 C.若纸带上打出的是短线,可能是打点计时器输入电压过高造成的 D.平衡摩擦力时,调整垫块的高度,改变钩码质量,使小车能在木板上做匀速运动,图S5-14,(2)除了图中给出的器材外,实验中还需要交流电源、导线、刻度尺和 . (3)某次实验中打出了一条纸带,其中一部分如图S5-15所示.图中各点是连续的计时点,A
17、、B、D、E、F各点与O点间的距离如图所示,设小车质量为m,打点周期为T,本次实验过程中力传感器的读数为F,则A到E过程外力做功W1= ,小车动能变化Ek1 = ;在不同次实验中测得多组外力做功W和对应的动能变化Ek的数据,作出W-Ek图像如图S5-16所示,图线斜率约等于1,由此得出的结论是 .,图S5-15,图S5-16,解析 (1)为了使得细线的拉力等于小车的合力,应使得连接小车的细线与木板平行,选项A正确;由于本实验中细线的拉力可以通过力传感器读出,所以不需要始终满足钩码的质量远小于小车的质量,选项B错误;打的不是点,而是短线,可能是因为振针过低,也可能是因为所加电压过高,使振幅过大,
18、选项C正确;平衡摩擦力时,在小车不悬挂钩码的情况下,调整垫块的高度,使得小车能在木板上做匀速直线运动,选项D错误.(2)因为要计算小车的动能,所以还需要测量小车的质量,故需要天平.,4.某同学用图S5-17甲所示的实验装置探究恒力做功与小车动能变化的关系. (1)为了能用沙和沙桶的总重力所做的功表示小车所受拉力做的功,本实验中小车质量M (选填“需要” “不需要”)远大于沙和沙桶的 总质量m.,图S5-17,(2)图乙为实验得到的一条清晰的纸带,A、B、C、D、E、F、G是纸带上7个连续的点,sAD= cm.已知电源频率为50 Hz,则打点计时器在打D点时纸带的速度 v= m/s (保留两位有
19、效数字). (3)该同学画出小车动能变化Ek与拉力对小车所做的功W的关系图像,由于实验前遗漏了平衡摩擦力这一关键步骤,他得到的实验图线(实线)应该是图S5-18中的 (填选项字母).,图S5-18,1.某实验小组想通过如图所示的实验装置来探究功与速度变化的关系.实验中通过改变橡皮筋的条数来改变外力对小车做功W的数值,用速度传感器测出每次小车获得的速度v. (1)下列关于本实验的说法中正确的是 (填选项前的字母). A.本实验需要先平衡摩擦力 B.实验中必须测出小车的质量m C.实验中必须测出橡皮筋对小车做功的具体数值 D.每次所用的橡皮筋应该是相同规格,且每次都拉伸到同一位置,(2)某次实验中
20、同学们通过速度传感器得到小车沿木板运动的速 度随时间变化的关系图像如图所示,图中0t1内的图线为曲线,t1 t2内的图线为直线.由此可知,该实验中存在的不当之处是 . (3)同学们纠正不当之处后,先后用一根、两根、三根、四根、 五根橡皮筋做实验,通过速度传感器测出小车各次获得的速度, 并画出v2-W图像如图所示.测得该图线的斜率为k,由此可以计算 出本实验中所用的小车的质量为 .,2.某实验小组设计了如图甲所示的实验装置来做“探究做功和物体速度变化的关系”的实验,实验装置中PQ为一块倾斜放置的木板,木板可认为是光滑的,在其上固定一个光电门,用来测量物块上遮光条通过光电门的时间. (1)若用游标
21、卡尺测量遮光条的宽度,如图乙所示,则示数为d= mm,遮光条通过光电门时,显示时间为t=0.002 s,则物块通过光电门的瞬时速度为 m/s.,3.利用如图甲所示的实验装置探究恒力做功与系统动能变化的关系,已知小车质量为470.0 g,打点计时器所用交流电的频率为50 Hz,重力加速度g取9.8 m/s2. (1)挂小沙桶前,为了消除摩擦力的影响,应调节木板右 侧的高度,直至向左轻推小车观察到 .,(2)挂上30.0 g的小沙桶,按实验要求打出的一条纸带如图乙所示,选择某一点为0,之后每5个计时点取一个计数点,用刻度尺量出几个相邻计数点间的距离记录在纸带上,测得计数点“1”到计数点“6”之间的
22、距离为18.00 cm,由计数点“1”到计数点“6”的运动过程中,小沙桶所受重力做的功为 J,小车和小沙桶系统动能的增加量为 J.(结果均保留三位有效数字),4.如图所示是某小组利用滑块验证动能定理的实验装置,在滑块上安装一遮光条与拉力传感器,把滑块放在水平气垫导轨上,跨过定滑轮的细绳一端与滑块相连,另一端与钩码相连,光电门安装在B处.测得滑块(含遮光条和拉力传感器)质量为M,钩码的总质量为m,遮光条的宽度为d,当地的重力 加速度为g.当气垫导轨充气后,将滑块在图示 A位置由静止释放后,拉力传感器记录的读数 为F,光电门记录的时间为t.a,(1)实验中 (选填“要求”或“不要求”)钩码总质量m远小于滑块质量M. (2)实验中还需要测量的物理量是 (用文字及相应的符号表示). (3)本实验中利用滑块验证动能定理的表达式为 (用以上对应物理量的符号表示). (4)为减小实验误差,可采取的方法是 (填选项前的字母). A.增大A、B之间的距离 B.减小钩码的总质量 C.增大滑块的质量 D.减小遮光条的宽度,