1、1实验五 探究动能定理一、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 . 图 S5-1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 . 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.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
2、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 .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2(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 F mg.(2)通过纸带测小车的位移 l.(3)求出合力对小车做的功 W=Fl=mgl.(4)通过纸带求出对应位移 l 时,小车获得的速度 v= .xn+xn+12T6.结
3、论研究 W 与 v 的关系,发现合力对小车做的功 W 与小车速度的平方成正比,即满足 W v2.实验方案二 探究变力做功与速度变化1.实验原理(如图 S5-2 所示)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 . 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
4、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 . 3(4)分别用各次实验测得的 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 .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
5、纸带上打的点多一些 .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 .图 S5-3(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
6、 (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4B.实验操作时要先释放小车,后接通电源C.在利用纸带进行数据处理时,所选的两个研究点离得越近越好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变式题某学习小组做“探究做功与物体速度变化
7、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
8、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5(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:图 S5-7A
9、.安装好实验装置如图 S5-7 所示 .B.将质量为 200g 的小车拉到打点计时器附近,并按住小车 .C.在质量为 10g、30g、50g 的三种钩码中,他挑选了一个质量为 50g 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 .(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 10m/s2) 第 1 个点到第 N 个点的距离为 40.0cm. 打下第 N 点时小车的速度大小为 1.00m/s.该同学将钩码的重力当作小车所受的拉力,算出拉力对小车做的功为 J,小车动能的增量为 J. 6(2)此次实验探究结果,他没能
10、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): . . 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 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
11、 . (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 .橡皮筋做的功10 个间距的距离 x(m)10 个间距的时间 T(s)小车获得的速度 vn小车速度的二次方 v2n第 1 次 W 0.200 0.2第 2 次 0.280 0.2第 3 次 0.300 0.2第 4 次 0.400 0.2第 5 次 0.450 0.27(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
12、 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热点三 实验拓展与实验创新实验器材及装置的替换数据测量的改进实验方案的迁移利用自由落体运动探究功和动能变化的关系例 3 如图 S5-10 所示,某研究性学习小组为探究物体做功与动能变化的关系,设计了如下实验:平直轨道 B 固定在水平桌面上 .弹射装置 A 固定于轨道上,小球被劲度系数较大的处于压缩状态的弹簧弹出后从轨道端点 O 滑出做平抛运动落到地面 .已知弹簧的弹性势能的表达式为 Ep= kx2,式中 k 为弹簧的劲度系数, x 为弹簧的形变量 .12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
13、些”或“远些”) . 8(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 S5-111.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
14、9(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表示) 2.用如图 S5-13 甲所示装置探究功与速度
15、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(1)某次实验中打出的一条纸带如图乙所示, D 之前各点间的距离不相等, E 之后各点间的距离都相等 .若使误差最小, T 为打点周期,下列计算小车匀速运动的速度的表达式最好的是 (填选项前的字母) . A.v= B.v= C.v= D.v=DET GHT DF2T EH3T(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
16、均为 x2,则 x1x 2= . (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-xBCB.xBC-xABxCD-xBC103.2018福州十中月考探究外力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 .图 S5-14(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
17、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(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、 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
18、-15图 S5-164.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 .11图 S5-17(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. (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 50Hz,则打点计时器在打 D 点时纸带的速度 v= m/s(保留两位有效数字) . (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 S5-1812
