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1、实验五 探究动能定理,实验基础,命题研析,实验基础 落实基础提炼精髓,注意事项 1.平衡摩擦力.由于我们用绳的拉力确定对小车做的功,因此应设法排除其他力的影响,实际操作中是采用把木板的一端垫高,用小车重力的分力和阻力平衡的方法来消除阻力的影响. 2.尽量减小小车的加速度.因为砝码和小盘拉着小车加速运动时,砝码和小盘处于失重状态,小车受到的拉力小于砝码和小盘的总重力.为减小这一系统误差,应使小车的加速度尽量小,也就是实验中必须满足砝码和小盘的总质量远小于小车的质量.,误差分析,1.实验中我们把拉力对小车做的功与砝码和小盘总重力所做的功认为是一样的,但实际上二者并不相同,这是因为砝码和小盘的总重力
2、与绳的拉力是不一样的. 2.在m M时,细绳的拉力近似等于砝码和小盘的总重力;m越大,误差越大.因此实验中应使小车的质量远大于砝码和小盘的总质量.,命题研析 突破常规注重创新,命题点一 常规实验,【典例1】 (2017江苏卷,10)利用如图(甲)所示的实验装置探究恒力做功与物体动能变化的关系.小车的质量为M=200.0 g,钩码的质量为m=10.0 g,打点计时器的电源为50 Hz的交流电.,(1)挂钩码前,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)挂上钩码,按实验要求打出的一条纸带如图(乙)所示.选择某一点为O,依次每隔4个计时点取一个计数点.用刻度尺量出
3、相邻计数点间的距离x,记录在纸带上.计算打出各计数点时小车的速度v,其中打出计数点“1”时小车的速度v1= m/s.,答案:(1)小车做匀速运动 (2)0.228,请根据表中的数据,在方格纸上作出Ek-W图像.,答案:(3)如图所示,(4)实验结果表明,Ek总是略小于W.某同学猜想是由于小车所受拉力小于钩码重力造成的.用题中小车和钩码质量的数据可算出小车受到的实际拉力F= N.,答案:(4)0.093,方法技巧,实验数据的处理方法,处理实验数据的方法有平均值法、列表法和图像法,本题主要采用了后两种方法处理实验数据.列表法的优点是简明表示出有关物理量之间的关系,便于检查测量结果和运算是否合理,有
4、助于发现和分析问题,而且列表法还是图像法的基础.图像法的优点是通过作图可以找到或反映物理量之间的变化关系,并便于找出其中的规律,确定对应量的函数关系.,题组训练,1.如图所示,某同学在做“探究功与速度变化的关系”的实验.当小车在1条橡皮筋的作用下沿木板滑行时,橡皮筋对小车做的功记为W.当用2条、3条橡皮筋重复实验时,设法使每次实验中橡皮筋所做的功分别为2W,3W,(1)图1中电火花计时器的工作电压是 V的交流电. (2)实验室提供的器材如下:长木板、小车、橡皮筋、电火花计时器、纸带、电源等,还缺少的测量工具是 .,解析:(1)电火花计时器的工作电压是220 V的交流电; (2)处理实验数据时需
5、要测量两计数点间的距离,因此还需要的器材是刻度尺;,答案:(1)220 (2)刻度尺,(3)图1中小车上有一固定小立柱,如图2中给出了4种橡皮筋与小立柱的套接方式,为减小实验误差,你认为最合理的套接方式是 .,解析:(3)橡皮筋最合理的套接方式是A,以A的方式套接释放小车后,橡皮筋不会影响小车的运动;,答案:(3)A,(4)在正确操作的情况下,某次实验所打的纸带如图3所示.打在纸带上的点并不都是均匀的,为了测量橡皮筋做功后小车获得的速度,应选用纸带的 部分进行测量(根据纸带中字母回答),小车获得的速度是 m/s.(结果保留2位有效数字),答案:(4)GJ 0.65,2.(2017北京卷,21)
6、如图1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.,(1)打点计时器使用的电源是 (选填选项前的字母). 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 (选填选项前的字母). A.把长木板右端垫高 B.改变小车的质量 在不挂重物且 (选填选项前的字母)的情况下,轻推一下小车,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,解析:(1)打点计时器是一种使用交流电源的仪器,选项A错误,B正确; (2)平衡摩擦力和其
7、他阻力的正确操作方法是垫高长木板固定打点计时器的一端,若小车拖着的纸带打点间距相等,则表明小车在长木板上做匀速运动,此时重力沿斜面向下的分力正好平衡摩擦力和其他阻力.,答案:(1)B (2)A B,(3)接通电源,释放小车,打点计时器在纸带上打下一系列点,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2所示.,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
8、数据作出如图3所示的v2-W图像.由此图像可得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 .,答案:(4)v2=4.7W 质量,(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,图4中正确反映v2-W关系的 是 .,答案:(5)A,命题点二 创新实验,【典例2】 (2016全国卷,22)某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究,实验装置如图(甲)所示:轻弹簧放置在光滑水平桌面上,弹簧左端固定,右端与一物块接触而不连接,纸带穿过打点计时器并与物块连接,向左推物块
9、使弹簧压缩一段距离,由静止释放物块,通过测量和计算,可求得弹簧被压缩后的弹性 势能.,(1)实验中涉及下列操作步骤: 把纸带向左拉直 松手释放物块 接通打点计时器电源 向左推物块使弹簧压缩,并测量弹簧压缩量 上述步骤正确的操作顺序是 (填入代表步骤的序号).,(2)图(乙)中M和L纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打点结果.打点计时器所用交流电的频率为50 Hz.由M纸带所给的数据,可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为 m/s.比较两纸带可知, (填“M”或“L”)纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大.,核心点拨 分析纸带,根据纸带上距离的变化可明确物块何时离开弹簧,
10、再根据平均速度法可求得脱离时的速度;根据对应的长度可明确速度大小,从而比较弹性势能大小.,解析:(1)启动打点计时器前,应向左推物块使弹簧压缩,并测量弹簧压缩量,再把纸带拉直以减小因纸带受到摩擦力而产生的误差.实验时应先接通打点计时器的电源,再释放物块.故正确的操作顺序是.,答案:(1) (2)1.29 M,【创新/改进点分析】,1.实验方案的改进:本实验是把探究功和动能变化关系的实验拓展为轻弹簧的弹性势能与动能变化关系. 2.实验器材的改进:将橡皮筋改为弹簧.,【典例3】 (2013全国卷,22)某同学利用下述装置对轻质弹簧的弹性势能进行探究:一轻质弹簧放置在光滑水平桌面上,弹簧左端固定,右
11、端与一小球接触而不固连;弹簧处于原长时,小球恰好在桌面边缘,如图(a)所示.向左推小球,使弹簧压缩一段距离后由静止释放:小球离开桌面后落到水平地面.通过测量和计算,可求得弹簧被压缩后的弹性势能. 回答下列问题:,(1)本实验中可认为,弹簧被压缩后的弹性势能Ep与小球抛出时的动能Ek相等.已知重力加速度大小为g.为求得Ek,至少需要测量下列物理量中的 (填正确答案标号).,答案:(1)ABC,A.小球的质量m B.小球抛出点到落地点的水平距离s C.桌面到地面的高度h D.弹簧的压缩量x E.弹簧原长l0,(2)用所选取的测量量和已知量表示Ek,得Ek= .,(3)图(b)中的直线是实验测量得到
12、的s-x图线.从理论上可推出,如果h不变,m增加,s-x图线的斜率会 (填“增大”“减小”或“不变”);如果m不变,h增加,s-x 图线的斜率会 (填“增大”“减小”或“不变”).由图(b) 中给出的直线关系和Ek的表达式可知,Ep与x的 次方成正比.,答案:(3)减小 增大 2,【创新/改进点分析】,1.实验方案的改进:通过测量小球的动能间接测量弹簧的弹性势能. 2.数据处理的改进:利用给出的s-x图像,推出Ep与x的2次方成正比 关系.,题组训练,1.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
13、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(甲)所示. 第二步:保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.,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,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)已知带夹重锤质量为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
14、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= .,(2)由做功定义式可知还需要知道滑块下滑的位移x,由动能定理可知W合=Ek,即mgx=Ek=W.,(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,描点作出v2-W图像,可知该图像是一条 ,根据图像还可求得 .,答案:(3)过原点的倾斜直线 滑块的质量M,2.某校物理兴趣小组利用如图(甲)所示装置探究合力做功与动能变化的关系.在滑块上安装一遮光条,系轻细绳处安装一拉力传感器(可显示出轻细绳的拉力)
15、,把滑块放在水平气垫导轨上A处,细绳通过定滑轮与钩码相连,光电门安装在B处.气垫导轨充气,将滑块从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.,(1)用螺旋测微器测量遮光条的宽度,如图(乙)所示,则宽度为 mm.,答案:(1)2.558,解析:(1)根据螺旋测微器读数规则,遮光条的宽度 d=2.5 mm+0.058 mm=2.558 mm.,(2)多次改变钩码的质量(拉力传感器记录的读数F相应改变),测得多组F和t数据,要得到线性变化图像,若已知选定F作为纵坐标,则横坐标代表的物理量为 .,答案:(2)D,(3)若正确选择横坐标所代表的物理量后,得出线性变化图像的斜率为k,且已经测出A、B之间的距离为s,遮光条的宽度为d,则滑块质量(含遮光条和拉力传感器)的表达式为M= .,