實驗五探究動能定理 實驗基礎(chǔ) 核心探究 實驗基礎(chǔ)解讀實驗 萃取精華 注意事項1 平衡摩擦力 由于我們用繩的拉力確定對小車做的功 因此應(yīng)設(shè)法排除其他力的影響 實際操作中是采用把木板的一端墊高 用小車重力的分力和阻力平衡的方法來消除阻力的影響 2 盡量減小小車的加速度 因為砝碼和小盤拉著小車加速運動時 砝碼和小盤處于失重狀態(tài) 小車受到的拉力小于砝碼和小盤的總重力 為減小這一系統(tǒng)誤差 應(yīng)使小車的加速度盡量小 也就是實驗中必須滿足砝碼和小盤的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量 誤差分析1 實驗中我們把拉力對小車做的功與砝碼和小盤總重力所做的功認為是一樣的 但實際上二者并不相同 這是因為砝碼和小盤的總重力與繩的拉力是不一樣的 2 在m M時 細繩的拉力近似等于砝碼和小盤的總重力 誤差較小 m越大 誤差越大 因此實驗中應(yīng)使小車的質(zhì)量遠大于砝碼和小盤的總質(zhì)量 核心探究通法悟道 拓寬思路 探究點一基礎(chǔ)性實驗 典例1 2017 江蘇卷 10 利用如圖 甲 所示的實驗裝置探究恒力做功與物體動能變化的關(guān)系 小車的質(zhì)量為M 200 0g 鉤碼的質(zhì)量為m 10 0g 打點計時器的電源為50Hz的交流電 解析 1 掛鉤碼前 調(diào)節(jié)木板右側(cè)的高度 直至向左輕推小車 觀察到小車做勻速直線運動 表明此時已消除了摩擦力的影響 答案 1 小車做勻速運動 1 掛鉤碼前 為了消除摩擦力的影響 應(yīng)調(diào)節(jié)木板右側(cè)的高度 直至向左輕推小車觀察到 2 掛上鉤碼 按實驗要求打出的一條紙帶如圖 乙 所示 選擇某一點為O 依次每隔4個計時點取一個計數(shù)點 用刻度尺量出相鄰計數(shù)點間的距離 x 記錄在紙帶上 計算打出各計數(shù)點時小車的速度v 其中打出計數(shù)點 1 時小車的速度v1 m s 答案 2 0 228 3 將鉤碼的重力視為小車受到的拉力 取g 9 80m s2 利用W mg x算出拉力對小車做的功W 利用Ek Mv2算出小車動能 并求出動能的變化量 Ek 計算結(jié)果見下表 請根據(jù)表中的數(shù)據(jù) 在方格紙上作出 Ek W圖像 解析 3 根據(jù)表格中的數(shù)據(jù) 描點作圖 答案 3 如圖所示 答案 4 0 093 4 實驗結(jié)果表明 Ek總是略小于W 某同學(xué)猜想是由于小車所受拉力小于鉤碼重力造成的 用題中小車和鉤碼質(zhì)量的數(shù)據(jù)可算出小車受到的實際拉力F N 規(guī)律總結(jié)實驗數(shù)據(jù)的處理方法處理實驗數(shù)據(jù)的方法有平均值法 列表法和圖像法 本題主要采用了后兩種方法處理實驗數(shù)據(jù) 列表法的優(yōu)點是簡明表示出有關(guān)物理量之間的關(guān)系 便于檢查測量結(jié)果和運算是否合理 有助于發(fā)現(xiàn)和分析問題 而且列表法還是圖像法的基礎(chǔ) 圖像法的優(yōu)點是通過作圖可以找到或反映物理量之間的變化關(guān)系 并便于找出其中的規(guī)律 確定對應(yīng)量的函數(shù)關(guān)系 題組沖關(guān) 1 2018 江南十校聯(lián)考 如圖 甲 所示是某研究性學(xué)習(xí)小組的同學(xué)做探究 橡皮筋做功和物體速度變化的關(guān)系 的實驗 圖中是小車在一條橡皮筋作用下彈出一沿木板滑行的情形 這時 橡皮筋對小車做功記為W 當用2條 3條 n條完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次 第3次 第n次實驗時 每次橡皮筋都被拉伸到同一位置釋放 小車每次實驗中獲得的速度可以由打點計時器所打的紙帶測出 圖 乙 為某次實驗中打出的紙帶 解析 1 要計算某點速度的大小 必須要測量紙帶上計數(shù)點間的距離 除了題圖中已給出的實驗器材和電源外 還需要的器材是刻度尺 2 實驗時為了使小車只在橡皮筋作用下運動 應(yīng)采取的措施是把放打點計時器一端的木板墊起適當?shù)母叨纫云胶饽Σ亮?3 小車最終做勻速運動 因此應(yīng)選用相鄰兩計數(shù)點間隔相等的部分 答案 1 刻度尺 2 把木板的左端墊起適當?shù)母叨纫云胶饽Σ亮?3 每相鄰兩點之間距離相等 或點分布均勻 1 除了圖 甲 中已給出的實驗器材和電源外 還需要的器材有 2 實驗時為了使小車只在橡皮筋作用下運動 應(yīng)采取的措施是 3 每次實驗得到的紙帶上的點分布并不都是均勻的 為了測量小車最終獲得的末速度 應(yīng)選用紙帶的部分進行測量 4 下面是本實驗的數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理表 從理論上講 橡皮筋做的功Wn與物體獲得的速度vn之間的關(guān)系是Wn 請你運用表中的數(shù)據(jù)在如圖 丙 所示的坐標系中作出相應(yīng)的圖像 以驗證理論的正確性 2 2017 北京卷 21 如圖1所示 用質(zhì)量為m的重物通過滑輪牽引小車 使它在長木板上運動 打點計時器在紙帶上記錄小車的運動情況 利用該裝置可以完成 探究動能定理 的實驗 1 打點計時器使用的電源是 選填選項前的字母 A 直流電源B 交流電源 解析 1 打點計時器是一種使用交流電源的儀器 選項A錯誤 B正確 答案 1 B 2 實驗中 需要平衡摩擦力和其他阻力 正確操作方法是 選填選項前的字母 A 把長木板右端墊高B 改變小車的質(zhì)量在不掛重物且 選填選項前的字母 的情況下 輕推一下小車 若小車拖著紙帶做勻速運動 表明已經(jīng)消除了摩擦力和其他阻力的影響 A 計時器不打點B 計時器打點 解析 2 平衡摩擦力和其他阻力的正確操作方法是墊高長木板固定打點計時器的一端 若小車拖著的紙帶打點間距相等 則表明小車在長木板上做勻速運動 此時重力沿斜面向下的分力正好平衡摩擦力和其他阻力 答案 2 AB 3 接通電源 釋放小車 打點計時器在紙帶上打下一系列點 將打下的第一個點標為O 在紙帶上依次取A B C 若干個計數(shù)點 已知相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T 測得A B C 各點到O點的距離為x1 x2 x3 如圖2所示 實驗中 重物質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量 可認為小車所受的拉力大小為mg 從打O點到打B點的過程中 拉力對小車做的功W 打B點時小車的速度v 4 以v2為縱坐標 W為橫坐標 利用實驗數(shù)據(jù)做出如圖3所示的v2 W圖像 由此圖像可得v2隨W變化的表達式為 根據(jù)功與能的關(guān)系 動能的表達式中可能包含v2這個因子 分析實驗結(jié)果的單位關(guān)系 與圖線斜率有關(guān)的物理量應(yīng)是 答案 4 v2 4 7W質(zhì)量 5 假設(shè)已經(jīng)完全消除了摩擦力和其他阻力的影響 若重物質(zhì)量不滿足遠小于小車質(zhì)量的條件 則從理論上分析 圖4中正確反映v2 W關(guān)系的是 探究點二創(chuàng)新性實驗 典例2 2016 全國 卷 22 某物理小組對輕彈簧的彈性勢能進行探究 實驗裝置如圖 甲 所示 輕彈簧放置在光滑水平桌面上 彈簧左端固定 右端與一物塊接觸而不連接 紙帶穿過打點計時器并與物塊連接 向左推物塊使彈簧壓縮一段距離 由靜止釋放物塊 通過測量和計算 可求得彈簧被壓縮后的彈性勢能 高考創(chuàng)新實驗例析 1 實驗中涉及下列操作步驟 把紙帶向左拉直 松手釋放物塊 接通打點計時器電源 向左推物塊使彈簧壓縮 并測量彈簧壓縮量上述步驟正確的操作順序是 填入代表步驟的序號 2 圖 乙 中M和L紙帶是分別把彈簧壓縮到不同位置后所得到的實際打點結(jié)果 打點計時器所用交流電的頻率為50Hz 由M紙帶所給的數(shù)據(jù) 可求出在該紙帶對應(yīng)的實驗中物塊脫離彈簧時的速度為m s 比較兩紙帶可知 填 M 或 L 紙帶對應(yīng)的實驗中彈簧被壓縮后的彈性勢能大 核心點撥 分析紙帶 根據(jù)紙帶上距離的變化可明確物塊何時離開彈簧 再根據(jù)平均速度法可求得脫離時的速度 根據(jù)對應(yīng)的長度可明確速度大小 從而比較彈性勢能大小 解析 1 啟動打點計時器前 應(yīng)把紙帶拉直以減小因紙帶受到摩擦力而產(chǎn)生的誤差 實驗時應(yīng)先接通打點計時器的電源 再釋放物塊 故正確的操作順序是 答案 1 2 1 29M 創(chuàng)新 改進點分析 1 實驗方案的改進 本實驗是把探究功和動能變化關(guān)系的實驗拓展為輕彈簧的彈性勢能與動能變化關(guān)系 2 實驗器材的改進 將橡皮筋改為彈簧 典例3 2013 全國 卷 22 某同學(xué)利用下述裝置對輕質(zhì)彈簧的彈性勢能進行探究 一輕質(zhì)彈簧放置在光滑水平桌面上 彈簧左端固定 右端與一小球接觸而不固連 彈簧處于原長時 小球恰好在桌面邊緣 如圖 a 所示 向左推小球 使彈簧壓縮一段距離后由靜止釋放 小球離開桌面后落到水平地面 通過測量和計算 可求得彈簧被壓縮后的彈性勢能 回答下列問題 1 本實驗中可認為 彈簧被壓縮后的彈性勢能Ep與小球拋出時的動能Ek相等 已知重力加速度大小為g 為求得Ek 至少需要測量下列物理量中的 填正確答案標號 A 小球的質(zhì)量mB 小球拋出點到落地點的水平距離sC 桌面到地面的高度hD 彈簧的壓縮量 xE 彈簧原長l0 答案 1 ABC 2 用所選取的測量量和已知量表示Ek 得Ek 3 圖 b 中的直線是實驗測量得到的s x圖線 從理論上可推出 如果h不變 m增加 s x圖線的斜率會 填 增大 減小 或 不變 如果m不變 h增加 s x圖線的斜率會 填 增大 減小 或 不變 由圖 b 中給出的直線關(guān)系和Ek的表達式可知 Ep與 x的次方成正比 答案 3 減小增大2 創(chuàng)新 改進點分析 1 實驗方案的改進 通過測量小球的動能間接測量彈簧的彈性勢能 2 數(shù)據(jù)處理的改進 利用給出的s x圖像 推出Ep與 x的比例關(guān)系 模擬創(chuàng)新實驗沖關(guān) 1 2018 遼寧大連模擬 某同學(xué)用如圖所示的實驗裝置探究小車動能變化與合外力對它所做功的關(guān)系 圖中A為小車 連接在小車后面的紙帶穿過打點計時器B的限位孔 它們均置于水平放置的一端帶有定滑輪的足夠長的木板上 C為彈簧測力計 不計繩與滑輪的摩擦 實驗時 先接通電源再松開小車 打點計時器在紙帶上打下一系列點 1 該同學(xué)在一條比較理想的紙帶上 依次選取0 1 2 3 4 5共六個計數(shù)點 分別測量后5個計數(shù)點與計數(shù)點0之間的距離 并計算出它們與0點之間的速度平方差 v2 v2 v2 填入下表 請以 v2為縱坐標 以x為橫坐標在方格紙中作出 v2 x圖像 若測出小車質(zhì)量為0 2kg 結(jié)合圖像可求得小車所受合外力的大小為N 解析 1 將表中的數(shù)據(jù)分別描在題圖坐標系中 然后在圖中用平滑曲線連接 并且使盡可能多的點分布在曲線上 或?qū)ΨQ分布在直線兩側(cè) 如圖所示 答案 1 圖像見解析0 25 解析 2 主要原因是長木板對小車存在摩擦力 應(yīng)將木板左端墊高 以平衡摩擦力 減小誤差 答案 2 長木板對小車存在摩擦力將木板左端墊高 以平衡摩擦力 2 該同學(xué)通過計算發(fā)現(xiàn)小車所受合外力小于測力計讀數(shù) 明顯超出實驗誤差的正常范圍 你認為主要原因是 實驗操作中改進的措施是 創(chuàng)新 改進點分析 1 實驗原理的創(chuàng)新 可用彈簧測力計直接測繩拉力大小 故不必滿足小車質(zhì)量遠大于懸掛物的質(zhì)量 2 數(shù)據(jù)處理的改進 利用圖像的斜率求相關(guān)物理量 2 2018 廣州模擬 用如圖 甲 所示的實驗裝置完成 探究動能定理 實驗 請補充完整下列實驗步驟的相關(guān)內(nèi)容 1 用天平測量小車和遮光片的總質(zhì)量M 砝碼盤的質(zhì)量m0 用游標卡尺測量遮光片的寬度d 游標卡尺的示數(shù)如圖 乙 所示 其讀數(shù)為cm 按圖 甲 所示安裝好實驗裝置 用米尺測量兩光電門之間的距離s 2 在砝碼盤中放入適量砝碼 適當調(diào)節(jié)長木板的傾角 直到輕推小車 遮光片先后經(jīng)過光電門A和光電門B的時間相等 解析 1 由于游標卡尺是20分度 所測遮光片的寬度應(yīng)是主尺讀數(shù)與游標尺兩讀數(shù)之和 即5mm 4 0 05mm 5 20mm 0 520cm 答案 1 0 520 3 取下細線和砝碼盤 記下 填寫相應(yīng)物理量及其符號 4 讓小車從靠近滑輪處由靜止釋放 用數(shù)字毫秒計時器分別測出遮光片經(jīng)過光電門A和光電門B所用的時間 tA和 tB 解析 3 在砝碼盤中放入適量砝碼 適當調(diào)節(jié)長木板的傾角 直到輕推小車 遮光片先后經(jīng)過光電門A和光電門B的時間相等 這一步目的是使取下細線和砝碼盤后小車運動所受合外力等于砝碼和砝碼盤的重力 m m0 g 所以當取下細線和砝碼盤時 記下砝碼盤中砝碼的質(zhì)量m 答案 3 砝碼盤中砝碼的質(zhì)量m 5 步驟 4 中 小車從光電門A下滑至光電門B過程合外力做的總功W合 小車動能變化量 Ek 用上述步驟中的物理量表示 重力加速度為g 比較W合和 Ek的值 找出兩者之間的關(guān)系 6 重新掛上細線和砝碼盤 改變砝碼盤中砝碼質(zhì)量 重復(fù) 2 5 步驟 7 本實驗中 以下操作或要求是為了減小實驗誤差的是 A 盡量減小兩光電門間的距離sB 調(diào)整滑輪 使細線與長木板平行C 砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量 解析 7 盡量減小兩光電門間的距離s 會增大誤差 選項A錯誤 調(diào)整滑輪 使細線與長木板平行 這樣細線拉力等于小車做加速運動時受到的合外力 有利于減小誤差 選項B正確 本實驗沒有用砝碼和砝碼盤的重力代替細線的拉力 故不需要滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量 選項C錯誤 答案 7 B 創(chuàng)新 改進點分析 1 實驗器材的改進 利用光電門測量小車的速度更準確 2 實驗原理的創(chuàng)新 通過調(diào)節(jié)長木板的傾角及砝碼盤中放適量砝碼 使小車在斜面上勻速運動 用砝碼和砝碼盤的總重力當做小車運動的合外力