2022年高考物理必考實(shí)驗(yàn)精細(xì)精講 實(shí)驗(yàn)五 探究動(dòng)能定理學(xué)案目錄課前預(yù)習(xí)·基礎(chǔ)落實(shí)課堂互動(dòng)·考點(diǎn)突破【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹刻骄客饬ψ龉εc物體動(dòng)能變化的關(guān)系?！緦?shí)驗(yàn)原理】實(shí)驗(yàn)裝置如圖實(shí)1所示，在砝碼盤中加放砝碼并釋放砝碼盤，小車將在砝碼盤對(duì)它的拉力作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。在打出的紙帶上適當(dāng)間隔地取兩個(gè)點(diǎn)A、B，用平均速度的方法確定出A、B兩點(diǎn)速度vA、vB，求出此過程中物體動(dòng)能的變化量為Ek，測(cè)量這段過程中物體運(yùn)動(dòng)的距離x，算出拉力做的功W，通過比較W和Ek的值，就可以找出兩者之間的關(guān)系。 【實(shí)驗(yàn)器材】長(zhǎng)木板(一端帶滑輪)、刻度尺、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、導(dǎo)線、電源、小車、細(xì)線、砝碼盤、砝碼、天平。【實(shí)驗(yàn)步驟】1用天平測(cè)出小車質(zhì)量及砝碼盤的質(zhì)量，記錄小車的質(zhì)量M及砝碼盤的質(zhì)量m。2按圖安裝實(shí)驗(yàn)器材，只是不要掛砝碼；要調(diào)整定滑輪的高度，使細(xì)線與木板平行。3平衡摩擦力：在長(zhǎng)木板的不帶定滑輪的一端下面墊薄木塊，并反復(fù)移動(dòng)其位置，直到小車在斜面上勻速運(yùn)動(dòng)為止。4掛上砝碼(要使小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于砝碼的質(zhì)量)，接通電源，放開小車，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器就在紙帶上打下一系列的點(diǎn)，取下紙帶并標(biāo)記使用的砝碼質(zhì)量。5重復(fù)步驟4，打23條紙帶。6改變砝碼盤中砝碼的個(gè)數(shù)，重復(fù)步驟4、5，再做幾次實(shí)驗(yàn)?！緮?shù)據(jù)處理】從每次實(shí)驗(yàn)中選取點(diǎn)跡清晰的紙帶，選取計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B，進(jìn)行測(cè)量運(yùn)算，填入下表：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論?！咀⒁馐马?xiàng)】1砝碼的質(zhì)量要遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。2平衡摩擦力時(shí)，不要加砝碼，但應(yīng)連接紙帶且接通電源。3小車所受的阻力f應(yīng)包括小車受的摩擦力和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)小車后所拖紙帶的摩擦力。4小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并且要先接通電源后再放手?！菊`差分析】1實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差是繩對(duì)小車的拉力小于砝碼的重力。2平衡摩擦力不徹底或平衡過了也會(huì)造成誤差。3利用打上點(diǎn)的紙帶計(jì)算小車的速度時(shí)，測(cè)量不準(zhǔn)帶來誤差。課堂互動(dòng)·考點(diǎn)突破考點(diǎn)一對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解例1 (廣州模擬)某研究性學(xué)習(xí)小組做探究“橡皮筋做的功和物體速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)開始前，他們提出了以下幾種猜想：W，Wv，Wv2。實(shí)驗(yàn)裝置如圖實(shí)2甲所示，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(shí)橡皮筋對(duì)小車做的功記為W。當(dāng)我們用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(shí)驗(yàn)時(shí)，每次橡皮筋都拉伸到同一位置釋放。小車在實(shí)驗(yàn)中獲得的速度由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打的紙帶測(cè)出。(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)為了使小車相當(dāng)于只在橡皮筋作用下運(yùn)動(dòng)，應(yīng)采取的措施是_；(2)每次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶上的點(diǎn)并不都是均勻的，為了計(jì)算出小車獲得的速度，應(yīng)選用紙帶的_部分進(jìn)行測(cè)量；(3)同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)了以下表格來記錄數(shù)據(jù)。其中W1、W2、W3、W4表示橡皮筋對(duì)小車做的功，v1、v2、v3、v4表示小車每次獲得的速度。他們根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了如圖乙所示的Wv圖象，由圖象形狀得出結(jié)論Wv2。他們的做法是否合適？請(qǐng)說明理由：_。解析(1)小車運(yùn)動(dòng)過程中要受到摩擦力等阻力的作用，為抵消阻力的作用，可將木板的一端適當(dāng)墊高，設(shè)傾角為，只要滿足F阻mgsin ，便可認(rèn)為小車只在橡皮筋作用下運(yùn)動(dòng)。(2)小車在橡皮筋作用下做加速運(yùn)動(dòng)，橡皮筋作用完后小車做勻速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)紙帶上的打點(diǎn)間距應(yīng)是均勻的。(3)因?yàn)閃v圖象是曲線，不能確定W與v2的函數(shù)關(guān)系，所以不合適。答案(1)把木板的末端墊起適當(dāng)高度以平衡摩擦力(2)點(diǎn)距均勻(3)不合適。由曲線不能直接確定W、v2的函數(shù)關(guān)系，應(yīng)進(jìn)一步繪制Wv2圖象點(diǎn)評(píng)(1)實(shí)驗(yàn)中要通過傾斜木板平衡摩擦力，這與探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系中平衡摩擦力的原因是一樣的。(2)計(jì)算小車的速度時(shí)，應(yīng)選紙帶上點(diǎn)距均勻的部分進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)訓(xùn)練：(福建)在“探究恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中(裝置如圖實(shí)3)：(1)下列說法哪一項(xiàng)是正確的_。(填選項(xiàng)前字母)A平衡摩擦力時(shí)必須將鉤碼通過細(xì)線掛在小車上B為減小系統(tǒng)誤差，應(yīng)使鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)大于小車質(zhì)量C實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)使小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器由靜止釋放(2)圖實(shí)4是實(shí)驗(yàn)中獲得的一條紙帶的一部分，選取O、A、B、C計(jì)數(shù)點(diǎn)，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的交流電頻率為50 Hz，則打B點(diǎn)時(shí)小車的瞬時(shí)速度大小為_m/s(保留三位有效數(shù)字)。解析(1)平衡摩擦力是讓小車重力的下滑分力與摩擦力平衡，故不能掛鉤碼平衡摩擦力，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；本實(shí)驗(yàn)中，近似認(rèn)為小車所受拉力等于鉤碼的重力，因此應(yīng)使鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)時(shí)，為充分利用紙帶，應(yīng)使小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器由靜止釋放，選項(xiàng)C正確。(2)vB m/s0.653 m/s。答案(1)C(2)0.653考點(diǎn)二實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理例2如圖實(shí)5所示，是某研究性學(xué)習(xí)小組做探究“橡皮筋做功和物體速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)，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(shí)，橡皮筋對(duì)小車做的功記為W。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次實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次橡皮筋都拉伸到同一位置釋放。小車每次實(shí)驗(yàn)中獲得的速度由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打點(diǎn)的紙帶測(cè)出。(1)除了圖中的已給出的實(shí)驗(yàn)器材外，還需要的器材有 _；(2)平衡摩擦后，每次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶上的點(diǎn)并不都是均勻的，為了測(cè)量小車獲得的速度，應(yīng)選用紙帶的_部分進(jìn)行測(cè)量；(3)下面是本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄表，請(qǐng)將第2次、第3次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋做的功填寫在對(duì)應(yīng)的位置；(4)從理論上講，橡皮筋做的功Wn和物體速度vn變化的關(guān)系應(yīng)是Wn_，請(qǐng)你根據(jù)表中測(cè)定的數(shù)據(jù)在如圖實(shí)6所示的坐標(biāo)系中作出相應(yīng)的圖象驗(yàn)證理論的正確性。解析(1)計(jì)算小車速度需要測(cè)量紙帶上的點(diǎn)的距離，要用刻度尺。(2)小車勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，紙帶上的點(diǎn)的間隔均勻。(3)橡皮筋每增加一條，對(duì)小車做的功就增加W。(4)縱坐標(biāo)表示速度的平方，橫坐標(biāo)表示功，利用描點(diǎn)法描出各組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，然后用平滑曲線連線作出vWn圖象，如圖所示。答案(1)刻度尺(2)點(diǎn)距均勻(3)2W3W4W5W(4)v圖見解析考點(diǎn)三實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)1實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)例3 (江西模擬)某學(xué)習(xí)小組利用如圖實(shí)7所示的裝置驗(yàn)證動(dòng)能定理。(1)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)至水平，安裝好實(shí)驗(yàn)器材，從圖中讀出兩光電門中心之間的距離s_cm；(2)測(cè)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(shí)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(shí)驗(yàn)，還需要直接測(cè)量的一個(gè)物理量是_；(3)該實(shí)驗(yàn)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？_(填“是”或“否”)解析(1)由圖可知，s70.30 cm20.30 cm 50.00 cm。(2)要應(yīng)用滑塊驗(yàn)證動(dòng)能定理，應(yīng)有關(guān)系式：FsMM故還應(yīng)測(cè)量滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量M。(3)因拉力傳感器直接測(cè)出滑塊所受的合外力，并不是用砝碼和砝碼盤的總重力代替合外力做實(shí)驗(yàn)，故沒有必要滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量。答案(1)50.00(2)滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量M(3)否小結(jié)為減小實(shí)驗(yàn)誤差，本實(shí)驗(yàn)裝置從以下三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：(1)減小摩擦阻力：用氣墊導(dǎo)軌代替木板。(2)速度的測(cè)量：用光電門代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。(3)拉力的測(cè)定：用力傳感器測(cè)定力的大小。2實(shí)驗(yàn)原理的遷移應(yīng)用例4某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖實(shí)8所示裝置，探究木塊在木板上滑動(dòng)至停止的過程中，摩擦力做的功與木塊滑上木板時(shí)初速度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)步驟如下：A將彈簧左端固定在平臺(tái)上，右端自然伸長(zhǎng)到平臺(tái)右側(cè)O點(diǎn)，木板緊靠平臺(tái)，其上表面與P、O在同一水平面上。使木塊壓縮彈簧自由端至P點(diǎn)后由靜止釋放，木塊最終停在木板上的B點(diǎn)，記下P點(diǎn)并測(cè)出OB間的距離L。B去掉木板再使木塊壓縮彈簧自由端至P點(diǎn)并由靜止釋放，測(cè)出木塊做平拋運(yùn)動(dòng)的水平位移x。C改變由靜止釋放木塊的位置，以獲取多組L、x數(shù)據(jù)。D用作圖象的辦法，探求L與x的關(guān)系，得出結(jié)論。(1)A、B兩步中，均使彈簧壓縮到同一點(diǎn)P的目的是_；(2)本實(shí)驗(yàn)中，是否必須測(cè)出圖中h的具體數(shù)值？_(填“是”或“否”)；(3)實(shí)驗(yàn)小組根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，作出Lx2圖象如圖實(shí)9所示，據(jù)此，實(shí)驗(yàn)小組便得出結(jié)論：摩擦力對(duì)木塊做的功與木塊滑上木板時(shí)的初速度平方成正比。請(qǐng)寫出其推理過程：_。解析(1)實(shí)驗(yàn)中要保證木塊滑至O點(diǎn)的速度不變，A、B兩步中，均使彈簧壓縮到同一點(diǎn)P的目的是保證木塊做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度與木塊滑上木板時(shí)的初速度相等；(2)木塊離開平臺(tái)后做平拋運(yùn)動(dòng)，由于拋出點(diǎn)的高度一定，木塊在空中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等，木塊的水平位移與木塊做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度成正比，實(shí)驗(yàn)中不需要測(cè)出平臺(tái)的高度h；(3)設(shè)木塊做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度為v，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t，則木塊的水平位移xvt，則x2v2，由圖象知Lx2，所以Lv2，而WfL，f恒定，故有WLv2。答案(1)保證木塊做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度與木塊滑上木板時(shí)的初速度相等(2)否(3)見解析