高考物理一轮实验5《探究动能定理》教学案含答案Word格式文档下载.docx
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(其中T为打点周期)。
2.计算W、2W、3W、…时对应v、v2的数值,填入下面表格。
Wv
W
2W
3W
4W
5W
v
v2
3.作图象
在坐标纸上分别作出W-v和W-v2图线,从中找出功与速度变化的关系。
【误差分析】
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。
【注意事项】
1.平衡摩擦力:
将木板一端垫高,使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡。
方法:
使小车连着纸带并接通电源,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匀速运动,找到长木板的一个合适的倾角。
2.选点测速:
测小车的速度时,纸带上的点应选均匀部分的,也就是选小车做匀速运动时的部分。
3.橡皮筋的选择:
橡皮筋应选规格一样的。
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.先后顺序:
开始实验时,小车应靠近打点计时器,并且要先接通电源再释放小车。
5.小车的选择:
小车质量应适当大一些,使纸带上打的点多一些。
剖析考点·
瞄准热点——析考点强化认识
考点一
对实验原理的考查
[典题1] 在“探究恒力做功与动能改变的关系”实验中(装置如图甲所示):
(1)下列说法哪一项是正确的________。
(填选项前字母)
A.平衡摩擦力时必须将钩码通过细线挂在小车上
B.为减小系统误差,应使钩码质量远大于小车质量
C.实验时,应使小车靠近打点计时器由静止释放
(2)图乙是实验中获得的一条纸带的一部分,选取O、A、B、C计数点,已知打点计时器使用的交流电频率为50Hz,则打B点时小车的瞬时速度大小为________m/s(保留三位有效数字)。
[解析]
(1)平衡摩擦力是让小车重力的下滑分力与摩擦力平衡,故不能挂钩码平衡摩擦力,A错误;
本实验中,近似认为小车所受拉力等于钩码的重力,因此应使钩码的质量远小于小车的质量,B错误;
实验时,为充分利用纸带,应使小车靠近打点计时器由静止释放,C正确。
(2)vB=
=
m/s=0.653m/s
[答案]
(1)C
(2)0.653
1.[多选]用如图所示的装置做“探究动能定理”的实验时,下列说法正确的是( )
A.为了平衡摩擦力,实验中可以将长木板的左端适当垫高,使小车拉着穿过打点计时器的纸带自由下滑时能保持匀速运动
B.每次实验中橡皮筋的规格要相同,拉伸的长度要一样
C.可以通过改变橡皮筋的条数来改变拉力做功的数值
D.通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的平均速度
解析:
选ABC 当小车拉着穿过打点计时器的纸带做匀速运动时,沿长木板方向的重力的分力大小等于摩擦力,即在实验中可消除摩擦力的影响,A正确;
由实验原理可知,每次实验橡皮筋的规格要相同,拉伸的长度要一样,B正确,实验是通过改变橡皮筋的条数来改变拉力做功的,C正确;
橡皮筋拉力做的总功等于小车动能的增加,此动能应为小车获得的最大动能,所以用打点计时器打下的纸带测定的是小车的最大速度,D错误。
2.(·
武汉模拟)某同学利用如图所示的装置“探究功与速度变化的关系”:
在木块的左端固定一挡板,挡板上栓一轻质弹簧,弹簧的右端固定一小物块,物块的上方有一很窄的遮光片,当弹簧的长度为原长时,物块恰处于O点,O点的正上方有一光电门,光电门上连接计时器(图中未画出)。
已知弹性势能的表达式为Ep=
k(Δx)2。
(1)实验开始时,________平衡摩擦力;
________测量遮光片的宽度。
(均填“需要”或“不需要”)
(2)所有实验条件具备后,将小物块向左压缩Δx后从静止释放,小物块在弹簧的作用下被弹出,记下遮光片通过光电门的时间t1。
(3)将小物块向左压缩2Δx、3Δx、4Δx、…后从静止释放,小
物块在弹簧的作用下被弹出,分别记下遮光片通过光电门的时间t2、t3、t4、…。
(4)将几次实验中弹簧对小物块做的功分别记为W1、W2、W3、…,则W1∶W2∶W3=________,若以W为纵坐标、
为横坐标作图,则得到的图象是________(填“一条直线”或“一条曲线”)。
(1)由于该实验要求弹簧弹力做功,所以不能有摩擦力做功,所以需要平衡摩擦力。
光电门测速度的原理是用平均速度来代替瞬时速度v,小物块在弹簧的作用下被弹出,记下遮光片通过光电门的时间t,小物块的速度v=
,根据功能关系可以求出需要验证的关系式可知:
W=
mv2=
m,若以W为纵坐标、
为横坐标作图,则得到的图象是一条倾斜直线,即可得到合力功与速度变化的关系,所以不需要测量遮光片的宽度。
(4)已知弹性势能的表达式为Ep=
所以几次实验中弹簧对小物块做的功分别记为W1、W2、W3、…,则W1∶W2∶W3=1∶4∶9,若以W为纵坐标、
为横坐标作图,则得到的图象是一条直线。
答案:
(1)需要 不需要 (4)1∶4∶9 一条直线
考点二
实验数据处理
[典题2] 如图甲所示,某组同学借用“探究a与F、m之间的定量关系”的相关实验思想、原理及操作,进行“研究合力做功和动能变化的关系”的实验:
甲
(1)为达到平衡阻力的目的,取下细绳及托盘,通过调整垫片的位置,改变长木板倾斜程度,根据打出的纸带判断小车是否做________运动。
(2)连接细绳及托盘,放入砝码,通过实验得到如图乙所示的纸带。
纸带上O为小车运动起始时刻所打的点,选取时间间隔为0.1s的相邻计数点A、B、C、D、E、F、G。
实验时小车所受拉力为0.2N,小车的质量为0.2kg。
乙
请计算小车所受合力做的功W和小车动能的变化ΔEk,补填表中空格(结果保留至小数点后第四位)。
O-B
O-C
O-D
O-E
O-F
W/J
0.0432
0.0572
0.0734
0.0915
①
ΔEk/J
0.0430
0.0570
0.0907
②
分析上述数据可知:
在实验误差允许的范围内W=ΔEk,与理论推导结果一致。
(3)实验前已测得托盘质量为7.7×
10-3kg,实验时该组同学放入托盘中的砝码质量应为________kg(g取9.8m/s2,结果保留至小数点后第三位)。
[解析]
(1)实验中,首先平衡摩擦力,改变长木板的倾角,轻推小车,小车沿长木板向下做匀速直线运动。
(2)打下F点时,小车的位移大小为O、F间的距离,即0.5575m,细绳对小车的拉力为0.2N,则拉力做功为0.1115J,小车的瞬时速度为
m/s=1.051m/s,动能增量为0.1105J。
(3)由纸带数据求得:
AD=21.20cm,DG=30.07cm,小车、托盘和砝码组成的整体运动的加速度大小为a=
m/s2=0.9856m/s2,小车受到的拉力为F=0.2N,设托盘和砝码的总质量为m,由牛顿第二定律得mg-F=ma,得m=2.269×
10-2kg,托盘中砝码质量为0.015kg。
[答案]
(1)匀速直线(或匀速)
(2)①0.1115 ②0.1105 (3)0.015
1.某同学在实验室用如图甲所示的装置来研究有关做功的问题。
(1)如图甲所示,在保持M>7m条件下,可以认为绳对小车的拉力近似等于砂和砂桶的总重力,在控制小车质量不变的情况下进行实验。
在实验中,该同学先接通打点计时器的电源,再放开纸带,已知交流电的频率为50Hz。
图乙是在m=100g、M=1kg情况下打出的一条纸带,O为起点,A、B、C为过程中3个相邻的计数点,相邻的计数点之间有4个没有标出,有关数据如图乙所示,则打B点时小车的动能Ek=________J,从开始运动到打B点时,绳的拉力对小车做的功W=________J。
(保留2位有效数字,g取9.8m/s2)
(2)在第
(1)问中,绳的拉力对小车做的功W大于小车获得的动能Ek,请你举出导致这一结果的主要原因:
___________________________________________________。
(写出一种即可)
(1)小车拖动纸带做匀加速直线运动,B为AC的中间时刻,由匀变速直线运动的规律可得vB=vAC=
,其中xAC=OC-OA=19.95cm,T=5×
0.02s=0.1s,代入可求得vB=0.9975m/s,所以在B点小车的动能Ek=
Mv
≈0.50J。
绳的拉力近似等于砂和砂桶的总重力,所以绳的拉力对小车做的功W=mgxOB≈0.51J。
(2)若摩擦力没有完全抵消,小车所受合力的功还应包含摩擦力做的负功,故拉力所做的功大于动能的增量;
若砂与砂桶的重力不满足“远小于小车的重力”的条件,则砂和砂桶的重力大于绳的拉力,若把砂和砂桶的重力近似为拉力,导致拉力做的功大于动能增量。
(1)0.50 0.51
(2)摩擦没有完全抵消;
砂与砂桶的重力大于绳的拉力(写出一种即可)
濮阳模拟)质量为1kg的重物自由下落,通过打点计时器在纸带上记录下运动的过程,打点计时器所接电源为6V、50Hz的交流电源。
如图甲所示,纸带上O点为重物自由下落时打点的起点,选取的计数点A、B、C、D、E、F、G依次间隔一个点(图中未画出),各计数点与O点的距离依次为31.4、70.6、125.4、195.9、282.1、383.8、501.2,单位为mm,重力加速度为9.8m/s2,则
(1)求出B、C、D、E、F各点速度并填入下表。
计数点
B
C
D
E
F
速度(m·
s-1)
(2)求出重物下落从起点到图中各点过程中重力所做的功。
功(J)
(3)适当选择坐标轴,在图乙中作出重力做的功与速度的相关量之间的关系图。
图中纵坐标表示________,横坐标表示________,由图可得重力所做的功与____________成____________关系。
(1)各点速度由公式v=v=
,求出vB=
m/s≈1.18m/s,同理vC≈1.57m/s,vD≈1.96m/s,vE≈2.35m/s,vF≈2.74m/s
(2)由重力做的功W=mgΔx求出WB=mgOB=1×
9.8×
70.6×
10-3J≈0.69J,同理WC≈1.23J,WD≈1.92J,WE≈2.76J,WF≈3.76J
(3)如图所示。
由图可得重力所做的功与速度的平方v2成正比。
(1)1.18 1.57 1.96 2.35
2.74
(2)0.69 1.23 1.92 2.76 3.76 (3)见解析图 重力做的功WG 速度的平方v2 速度的平方v2 正比
考点三
实验创新设计
[典题3] (·
天津高考)某同学把附有滑轮的长木板平放在实验桌上,将细绳一端拴在小车上,另一端绕过定滑轮,挂上适当的钩码,使小车在钩码的牵引下运动,以此定量探究绳拉力做功与小车动能变化的关系。
此外还准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸、纸带、小木块等。
组装的实验装置如图所示。
(1)若要完成该实验,必需的实验器材还有哪些___________________________
____________________________________________________________________。
(2)实验开始时,他先调节木板上定滑轮的高度,使牵引小车的细绳与木板平行。
他这样做的目的是下列的哪个________(填字母代号)。
A.避免小车在运动过程中发生抖动
B.可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰
C.可以保证小车最终能够实现匀速直线运动
D.可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力
(3)平衡摩擦力后,当他用多个钩码牵引小车时,发现小车运动过快,致使打出的纸带上点数较少,难以选到合适的点计算小车速度。
在保证所挂钩码数目不变的条件下,请你利用本实验的器材提出一个解决方法:
_______________________________
(4)他将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功,经多次实验发现拉力做功总是要比小车动能增量大一些。
这一情况可能是下列哪些原因造成的________(填字母代号)。
A.在接通电源的同时释放了小车
B.小车释放时离打点计时器太近
C.阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平衡掉
D.钩码做匀加速运动,钩码重力大于细绳拉力
[解析]
(1)实验要处理纸带测速度,需要刻度尺,要分析动能的变化,必须要测出小车的质量,因此还需要天平。
(2)实验中调节定滑轮高度,使细绳与木板平行,可在平衡摩擦力后使细绳的拉力等于小车所受的合力,如果不平行,细绳的拉力在垂直于木板的方向上就有分力,改变了摩擦力,就不能使细绳拉力等于小车所受的合力,D正确。
(3)在所挂钩码个数不变的情况下,要减小小车运动的加速度,可以增大小车的质量,即可在小车上加适量的砝码(或钩码)。
(4)如果用钩码重力做的功当作细绳拉力做的功,发现拉力做的功总比小车动能的增量大,原因可能是阻力未被完全平衡掉,因此拉力做功一部分用来增大小车动能,一部分用来克服阻力做功;
也可能是钩码做加速运动,因此细绳的拉力小于钩码的重力,钩码的重力做的功大于细绳的拉力做的功,即大于小车动能的增量,C、D正确。
[答案]
(1)刻度尺、天平(包括砝码)
(2)D (3)可在小车上加适量的砝码(或钩码) (4)CD
1.(·
马鞍山模拟)某同学用如图甲所示装置做“探究合力的功与动能改变量的关系”的实验,他通过成倍增加位移的方法来进行验证。
方法如下:
将光电门固定在水平轨道上的B点,用重物通过细线拉小车,保持小车(带遮光条)和重物的质量不变,通过改变小车释放点到光电门的距离进行多次实验,每次实验时要求小车都由静止释放。
(1)用游标卡尺测出遮光条的宽度d,示数如图乙所示,则d=________cm。
(2)如果每次实验时遮光条通过光电门的时间为t,小车到光电门的距离为s,通过描点作出线性图象来反映合力的功与动能改变量的关系,则所作图象关系是________时才能符合实验要求。
A.st B.st2 C.st-1 D.st-2
(3)下列实验操作中必要的是________。
A.调整轨道的倾角,在未挂重物时使小车能在轨道上匀速运动
B.必须满足重物的质量远小于小车的质量
C.必须保证小车由静止状态开始释放
(1)由游标卡尺读数规则可知,示数为:
10mm+0.05×
15mm=1.075cm。
(2)由题意可知,该同学是通过成倍改变位移来改变做功的,设小车所受的合力为F,对小车,有Fs=
m
,即有s∝
,则D正确。
(3)由
(2)可知,公式中的F是指小车所受到的合力,而且在整个实验过程中保持不变,所以在该实验中不需要平衡摩擦力;
同理可知,重物与小车质量的大小关系也不会对实验结果产生影响;
若小车释放速度不为零,则会对实验结果产生影响,选项C正确。
(1)1.075
(2)D (3)C
2.测量小物块Q与平板P之间动摩擦因数的实验装置如图所示。
AB是半径足够大的、光滑的四分之一圆弧轨道,与水平固定放置的P板的上表面BC在B点相切,C点在水平地面的垂直投影为C′。
重力加速度大小为g。
实验步骤如下:
①用天平称出物块Q的质量m;
②测量出轨道AB的半径R、BC的长度L和CC′的长度h;
③将物块Q在A点从静止释放,在物块Q落地处标记其落地点D;
④重复步骤③,共做10次;
⑤将10个落地点用一个尽量小的圆围住,用米尺测量圆心到C′的距离s。
(1)用实验中的测量量表示:
①物块Q到达B点时的动能EkB=________________________________________;
②物块Q到达C点时的动能EkC=________________________________________;
③在物块Q从B运动到C的过程中,物块Q克服摩擦力做的功WFf=___________;
④物块Q与平板P之间的动摩擦因数μ=___________________________________。
(2)回答下列问题:
①实验步骤④⑤的目的是_____________________________________________;
②已知实验测得的μ值比实际值偏大,其原因除了实验中测量的误差之外,其它的可能是_____________________________________。
(写出一个可能的原因即可)
(1)①从A到B的过程中,由动能定理可得EkB=mgR
②从C到D过程中,物块做平抛运动,
竖直方向上h=
gt2
水平方向上s=vCt
解得vC=s
故EkC=
mv
③从B到C的过程中,根据动能定理得WFf=EkC-EkB
故WFf=
-mgR
克服摩擦力做功WFf=mgR-
④由WFf=μmgL得μ=
-
(2)①实验步骤④⑤是重复步骤③,目的是多次测量减小实验误差;
②产生的误差可能是圆弧轨道存在误差(或接缝B处不平滑等)。
(1)①mgR ②
③mgR-
④
(2)①减小实验结果的误差;
②圆弧轨道存在误差(或接缝B处不平滑等)
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