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，力对小车做的功
2、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)实验中，小车会受到
3、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 所示是某研究性学习小组做探究“橡皮筋做功和
4、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 次、,实验中橡皮筋做的功填写在对应的位置.,(
5、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.,答案：(1)刻度尺,(2)点距均匀 (3)2W 3W,4W
6、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
7、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
8、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 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
9、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
10、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
11、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
12、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 D3
13、5 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
14、，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,
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