实验五 探究动能定理文档格式.docx
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注意事项
平衡摩擦力:
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。
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。
2.在mM时,细绳的拉力近似等于砝码和小盘的总重力,误差较小;
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。
教材原型实验
命题角度 实验原理与基本操作
【例1】某实验小组用如图1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做小车受到的合外力。
图1
(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________(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
B.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2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2
解析
(1)实验前要对装置进行平衡摩擦力的操作,以保证小车所受合外力恰好是细线的拉力,故A正确;
实验操作时,若先放开小车,再接通打点计时器的电源,由于小车运动较快,可能打出来的点很少,不利于数据的采集和处理,故B错误;
在利用纸带进行数据处理时,所选的两个研究点离得越近则测量误差越大,故C错误;
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,这样才能使得沙和沙桶的总重力近似等于细线对小车的拉力,故D正确。
(2)本题的实验原理是验证沙桶和沙的总重力做的功等于小车动能的增加量,所以要测沙和沙桶的总质量、小车的质量,还要测纸带上各点的距离来求速度,所以所需的器材还应有天平和刻度尺。
(3)打A点时速度为v1=,打B点时速度为v2=,所以动能变化量ΔEk=Mv-Mv=,而沙和沙桶的总重力做的功为WG=mgx,要探究的功与速度变化的关系为mgx=。
答案
(1)AD
(2)刻度尺、天平 (3)mgx=
命题角度 数据处理及误差分析
【例2】(2019·
江苏卷,10)某兴趣小组用如图3所示的装置验证动能定理。
图3
(1)有两种工作频率均为50Hz的打点计时器供实验选用:
A.电磁打点计时器
B.电火花打点计时器
为使纸带在运动时受到的阻力较小,应选择________(选填“A”或“B”)。
(2)保持长木板水平,将纸带固定在小车后端,纸带穿过打点计时器的限位孔。
实验中,为消除摩擦力的影响,在砝码盘中慢慢加入沙子,直到小车开始运动。
同学甲认为此时摩擦力的影响已得到消除。
同学乙认为还应从盘中取出适量沙子,直至轻推小车观察到小车做匀速运动。
看法正确的同学是________(选填“甲”或“乙”)。
(3)消除摩擦力的影响后,在砝码盘中加入砝码。
接通打点计时器电源,松开小车,小车运动。
纸带被打出一系列点,其中的一段如图4所示。
图中纸带按实际尺寸画出,纸带上A点的速度vA=________m/s。
图4
(4)测出小车的质量为M,再测出纸带上起点到A点的距离为L。
小车动能的变化量可用ΔEk=Mv算出。
砝码盘中砝码的质量为m,重力加速度为g。
实验中,小车的质量应________(选填“远大于”“远小于”或“接近”)砝码、砝码盘和沙子的总质量,小车所受合力做的功可用W=mgL算出。
多次测量,若W与ΔEk均基本相等则验证了动能定理。
解析
(1)电磁打点计时器打点计时时振针与纸带之间的摩擦较大;
电火花打点计时器是电磁脉冲产生的电火花在纸带上打点,纸带所受阻力较小,故选B项。
(2)由于刚开始运动,拉力克服最大静摩擦力,而最大静摩擦力略大于滑动摩擦力,故平衡摩擦力的两种说法中,乙同学正确。
(3)取与A点相邻的两点。
用毫米刻度尺测出两点之间的距离,如图所示。
用平均速度表示A点的瞬时速度,
vA==m/s=0.31m/s。
(4)本实验要验证的表达式是mgL=Mv,用砝码的重力表示拉力的前提是mM。
答案
(1)B
(2)乙 (3)0.31(0.30~0.33都算对)
(4)远大于
拓展训练1(2017·
江苏单科,10)利用如图5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=200.0g,钩码的质量为m=10.0g,打点计时器的电源为50Hz的交流电。
图5
(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6所示。
选择某一点为O,依次每隔4个计时点取一个计数点。
用刻度尺量出相邻计数点间的距离Δx,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。
图6
(3)将钩码的重力视为小车受到的拉力,取g=9.80m/s2,利用W=mgΔx算出拉力对小车做的功W。
利用Ek=Mv2算出小车动能,并求出动能的变化量ΔEk。
计算结果见下表。
W/×
10-3J
2.45
2.92
3.35
3.81
4.26
ΔEk/×
2.31
2.73
3.12
3.61
4.00
请根据表中的数据,在方格纸上作出ΔEk-W图像。
(4)实验结果表明,ΔEk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。
解析
(1)该实验能平衡小车所受摩擦力的标志是在斜面上轻推小车,小车能做匀速直线运动。
(2)由题意可知,两相邻计数点间的时间T=5×
0.02s=0.1s,在匀变速直线运动中,一段时间的中间时刻的瞬时
速度等于平均速度,则v1==×
10-2m/s=0.228m/s。
(3)根据表中的数据,在方格纸上描点、连线如图所示。
(4)对小车受力分析,由牛顿第二定律得,F=Ma,同理对钩码有mg-F=ma,联立解得F=mg=0.093N。
答案
(1)小车做匀速运动
(2)0.228 (3)见解析(4)0.093
实验拓展创新
命题角度 用橡皮筋探究动能定理
【例3】某学习小组做探究“合力的功和物体速度变化的关系”的实验,图7中小车是在1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7
(1)除了图中已有的实验器材外,还需要导线、开关、__________(填测量工具)和__________(选填“交流”或“直流”)电源。
(2)实验中,小车会受到摩擦阻力的作用,可以使木板适当倾斜来平衡摩擦阻力,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
(4)在正确操作情况下,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,应选用图8中纸带的________部分进行测量。
图8
解析
(1)为测量小车获得的速度,必须用刻度尺来测量纸带上点和点之间的距离;
打点计时器必须使用交流电源。
(2)平衡摩擦力时,也要平衡纸带与限位孔之间的摩擦力。
根据平衡状态的特点,小车拖着纸带做匀速运动时即平衡了摩擦力。
(3)若木板水平放置,则未平衡摩擦力。
小车速度最大时,也就是加速度为零的时刻,即橡皮筋对小车的拉力等于小车受到的摩擦力的时刻,此时橡皮筋处于伸长状态,小车还未到两个铁钉的连线处,B正确。
(4)应该选用纸带上小车做匀速运动的部分进行测量,此时小车的速度最大,即GK部分。
答案
(1)刻度尺 交流
(2)D (3)B (4)GK
命题角度 实验装置的创新——利用传感器、光电门和气垫导轨
【例4】某学习小组用图9甲所示的实验装置探究“动能定理”。
他们在气垫导轨上安装了一个光电门B,滑块上固定一遮光条,滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连,传感器下方悬挂钩码,每次滑块都从A处由静止释放。
图9
(1)某同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d,如图乙所示,则d=________mm。
(2)下列实验要求中不必要的一项是________(请填写选项前对应的字母)。
A.应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量
B.应使A位置与光电门间的距离适当大些
C.应将气垫导轨调至水平
D.应使细线与气垫导轨平行
(3)实验时保持滑块的质量M和A、B间的距离L不变,改变钩码质量m,测出对应的力传感器的示数F和遮光条通过光电门的时间t,通过描点作出线性图像,研究滑块动能变化与合外力对它所做功的关系,处理数据时应作出的图像是________(填写选项前对应的字母)。
A.t-图像B.-F图像
C.t2-图像D.-F2图像
解析
(1)由题图知d=2mm+6×
0.05mm=2.30mm。
(2)拉力是直接通过力传感器测量的,故A不必要;
应使A位置与光电门的距离适当大些,有利于减小误差,故B是必要的;
应将气垫导轨调节水平,保持细线与气垫导轨平行,这样拉力才等于合力,故C、D是必要的。
(3)根据牛顿第二定律F=Ma,滑块通过光电门的速度为v=,根据运动学公式v2=2ax,代入可得()2=2L,解得t2=,所以处理数据时应做出t2-的图像,故选C。
答案
(1)2.30
(2)A (3)C
命题角度 实验方案的改进与创新
【例5】为了“探究动能变化与合外力做功的关系”,某同学设计了如下实验方案:
第一步:
把长木板附有滑轮的一端垫起,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
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- 实验五 探究动能定理 实验 探究 动能 定理