届江苏物理高考新增考点实验探究动能定理要点.docx
- 文档编号:29357882
- 上传时间:2023-07-22
- 格式:DOCX
- 页数:24
- 大小:290.47KB
届江苏物理高考新增考点实验探究动能定理要点.docx
《届江苏物理高考新增考点实验探究动能定理要点.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《届江苏物理高考新增考点实验探究动能定理要点.docx(24页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
届江苏物理高考新增考点实验探究动能定理要点
实验:
探究动能定理
【考纲解读】
1.通过实验探究力对物体做的功与物体动能变化的关系.
2.通过分析实验数据,总结出做功与物体速度的平方的正比例关系
【基础回放】
一.实验原理
探究功与速度变化的关系,可通过改变力对物体做的功,测出力对物体做不同的功时物体的速度,为简化实验可将物体初速度设置为零,可用下图所示的装置进行实验,通过增加橡皮筋的条数使橡皮筋对小车做的功成倍增加,再通过打点计时器和纸带来测量每次实验后小车的末速度v。
二.实验器材
小车(前面带小钩)、100~200g砝码、长木板(两侧适当的对称位置钉两个铁钉)、打点计时器及纸带、学生电源及导线(使用电火花计时器则不用学生电源)、5~6条等长的橡皮筋、刻度尺。
三、实验步骤
1.按如图所示将实验仪器安装好,同时平衡摩擦力。
2.先用一条橡皮筋做实验,用打点计时器和纸带测出小车获得的速度v1,设此时橡皮筋对小车做的功为W1,将这一组数据记入表格。
3.用2条橡皮筋做实验,实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次相同,这时橡皮筋对小车做的功为W2,测出小车获得的速度v2,将数据记入表格。
4.用3条、4条……橡皮筋做实验,用同样的方法测出功和速度,记入表格。
四、数据处理
先对测量数据进行估计,或者作个Wv草图,大致判断两个量可能是什么关系。
如果认为可能是W∝v2,对于每一个速度值算出它的二次方,然后以W为纵坐标、v2为横坐标作图,如果这样作出来的图象是一条直线,说明两者关系真的就是W∝v2。
五、误差分析
1.误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一,使橡皮筋的拉力做功W与橡皮筋的条数不成正比。
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.利用打点的纸带计算小车的速度时,测量不准会带来误差。
六、注意事项
1.平衡摩擦力很关键,将木板一端垫高,使小车重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡。
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匀速运动,找到木板一个合适的倾角。
2.测小车速度时,应选纸带上点距均匀的部分,也就是选小车做匀速运动时打在纸带上的点。
3.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。
这是本实验的技巧之一,这里通过转换单位的方法巧妙地解决了这一难题,这也是物理实验中常用的一种思想和手段。
七、实验改进
本实验中物体运动速度可以使用速度传感器直接采集,比用打点计时器方便快捷且误差较小;小车受到的外力也可以用拉力传感器采集以便于直接计算出合外力做功的大小;另外可以把长木板换成气垫导轨,省略平衡摩擦力的操作步骤,达到简化实验过程的目的。
【能力提升】
一、对实验原理及操作的考查
【例1】(2014·高考天津卷)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;也可能是小车做加速运动,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项正确.
[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
【变式1】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.可以通过改变小车的质量来改变拉力做功的数值
E.实验中要先释放小车再接通打点计时器的电源
F.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最大速度
G.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ABCF 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,B、C正确,D错误;使用打点计时器时都必须先接通电源再释放小车,E错误;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,F正确、G错误。
【变式2】探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系,实验装置如图所示,实验主要过程如下:
(1)设法让橡皮筋对小车做的功分别为W、2W、3W、…;
(2)分析打点计时器打出的纸带,求出小车的速度v1、v2、v3、…;
(3)作出W-v草图;
(4)分析W-v图象.如果W-v图象是一条直线,表明W∝v;如果不是直线,可考虑是否存在W∝v2、W∝v3、W∝
等关系.
以下关于该实验的说法中有一项不正确,它是________.
A.本实验设法让橡皮筋对小车做的功分别为W、2W、3W、….所采用的方法是选用同样的橡皮筋,并在每次实验中使橡皮筋拉伸的长度保持一致.当用1条橡皮筋进行实验时,橡皮筋对小车做的功为W,用2条、3条、…橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、…实验时,橡皮筋对小车做的功分别是2W、3W、…
B.小车运动中会受到阻力,补偿的方法可以使木板适当倾斜
C.某同学在一次实验中,得到一条记录纸带.纸带上打出的点,两端密、中间疏.出现这种情况的原因,可能是没有使木板倾斜或倾角太小
D.根据记录纸带上打出的点,求小车获得的速度的方法,是以纸带上第一点到最后一点的距离来进行计算
解析 由于选用同样的橡皮筋,并且每次实验中橡皮筋拉伸的长度相同,因此每条橡皮筋对小车做的功都相同,故A正确;小车在运动中受到的阻力,采取平衡摩擦力的方法补偿,让木板固定有打点计时器的一端适当抬高,使重力的下滑分力与摩擦力平衡,故B正确;纸带上的点两端密、中间疏,说明小车先在橡皮筋拉力作用下加速,后在阻力作用下减速,故C正确;由于橡皮筋松驰后,小车做匀速运动,此时的速度是橡皮筋对小车做功后的最大速度,故求速度应该用做匀速运动的那一段纸带的数据,而不应该用从第一点到最后一点的数据来计算,故D错误.答案 D
【变式3】某实验小组用如图所示的实验装置和实验器材做“探究动能定理”实验,在实验中,该小组同学把砂和砂桶的总重力当作小车受到的合外力.
图9
(1)为了保证实验结果的误差尽量小,在实验操作中,下面做法必要的是________.
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砂和砂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)如图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“动能定理”.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,砂和砂桶的总质量为m.请你把要探究的结果用题中给出的字母表达出来________________________________.
答案
(1)AD
(2)刻度尺、天平 (3)mgx=
解析
(2)本题的实验原理是验证用砂桶做的功等于小车动能的增加量,所以要测砂桶和砂、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)在A点的速度为v1=
,在B点:
v2=
所以动能变化量ΔEk=
Mv
-
Mv
=
而砂桶和砂做的功为:
WG=mgx
要探究动能定理的表达式为:
mgx=
二、对实验数据处理与误差分析的考查
【例2】如图所示,是某研究性学习小组做探究“橡皮筋做功和物体速度变化的关系”的实验,图中是小车在一条橡皮筋作用下弹出,沿木板滑行的情形。
这时,橡皮筋对小车做的功记为W。
当我们把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。
小车每次实验中获得的速度由打点计时器所打点的纸带测出。
(1)除了图中的已给出的实验器材外,还需要的器材有
________________________________________________________________________;
(2)平衡摩擦后,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
小车速度的平方vn2
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
0.2
(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所示的坐标系中作出相应的图像验证理论的正确性。
[答案]
(1)刻度尺
(2)点距均匀 (3)2W 3W 4W 5W (4)vn2
如图所示
【变式4】为了探究功与速度变化的关系,现提供如图所示的器材,让小车在橡皮筋的作用下弹出后沿木板滑行,请思考探究思路并回答下列问题。
(打点计时器所接交流电频率为50Hz)
(1)为了消除摩擦力的影响应采取的措施为___________________________________
________________________________________________________________________。
(2)当我们分别用同样的橡皮筋1条、2条、3条……并起来进行第1次、第2次、第3次……实验时,每次实验中橡皮筋拉伸的长度都保持一致,我们把第1次实验中橡皮筋对小车做的功记为W。
由于橡皮筋对小车做功而使小车获得的速度可以由打点计时器和纸带测出,如图所示是其中四次实验打出的部分纸带。
试根据以上信息,填写下表。
次数
1
2
3
4
橡皮筋对小车做的功
W
小车速度v/(m·s-1)
v2(m2·s-2)
从表中数据可得出结论:
______________________________________________________。
解析:
(1)为了消除摩擦力,应将木板固定有打点计时器的一端垫起适当的高度,使小车在不接橡皮筋时缓慢匀速下滑。
(2)由匀速运动的速度公式v=
,可求出小车的速度,其中x可从题图中读出,分别为2.00cm、2.83cm、3.46cm、4.00cm,交流电频率为50Hz,故T=0.02s。
次数
1
2
3
4
橡皮筋对小车做的功
W
2W
3W
4W
小车速度v/(m·s-1)
1.00
1.42
1.73
2.00
v2(m2·s-2)
1.00
2.02
2.99
4.00
在误差允许的范围内,橡皮筋对小车做的功与小车速度的平方成正比。
答案:
见解析
【变式5】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)
解析:
(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=
AC=
,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=
MvB2≈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,小车所受合外力的功还应包含摩擦力做的负功,故拉力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。
答案:
(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)
三、实验原理与方法的迁移应用
【例3】(2013·四川高考)如图实53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“研究合外力做功和动能变化的关系”的实验:
图实53
(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,通过实验得到图5-5-8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.
请计算小车所受合外力做的功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
ΔEk/J
0.0430
0.0570
0.0734
0.0907
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)若已平衡摩擦力,则小车在木板上做匀速直线运动.
(2)从纸带上的O点到F点,W=F·
=0.2×0.5575J=0.1115J,打F点时速度vF=
=
m/s=1.051m/s
ΔEk=
Mv
=
×0.2×1.0512J≈0.1105J.
(3)打B点时小车的速度为vB=
=
m/s=0.6555m/s,所以小车的加速度a=
=
m/s2≈0.99m/s2.
小车所受的拉力F=(m0+m)(g-a),所以盘中砝码的质量m=
-m0=
kg≈0.015kg.
【答案】
(1)匀速直线(或匀速)
(2)0.1115 0.1105 (3)0.015
【变式6】某兴趣小组在做“探究做功和物体速度变化关系”的实验前,提出以下几种猜想:
①W∝v,②W∝v2,③W∝
…他们的实验装置如图5-5-8(a)所示,PQ为一块倾斜放置的木板,在Q处固定一个速度传感器(用来测量物体每次通过Q点的速度).在刚开始实验时,有位同学提出,不需要测出物体质量,只要测出物体从初始位置到速度传感器的距离和读出速度传感器的示数就行了,大家经过讨论采纳了该同学的建议.
(1)本实验中不需要测量物体质量的理由是什么?
(2)让物体分别从不同高度无初速度释放,测出物体从初始位置到速度传感器的距离L1、L2、L3、L4…读出物体每次通过速度传感器Q的速度v1、v2、v3、v4…并绘制了如图5-5-8(b)所示的L-v图象.根据绘制出的L-v图象,若为了更直观地看出L和v的变化关系,他们下一步应该作出( )
A.L-v2图象 B.L-
图象
C.L-
图象D.L-
图象
(3)本实验中,木板与物体间摩擦力的大小会不会影响探究出的结果?
【解析】
(1)因为W=ΔEk,而W=mg(sinθ-μcosθ)L,ΔEk=
mv2,等式两边都有m,所以探究W与v的关系可以不用测量质量m.
(2)由于题图(b)是关于“L-v”的图象,该图象为曲线,不便于直观地看出L和v的变化关系,所以下一步应作出“L-v2”图象,应选A.
(3)在实验中,由于物体在斜面上运动时,所受的合力是确定的,即F合=mg(sinθ-μcosθ),所以摩擦力的大小不会影响L和v的关系.
【答案】
(1)见解析
(2)A (3)不会
【变式7】某学习小组在“探究功与速度变化关系”的实验中采用了如图所示的实验装置。
(1)将气垫导轨接通气泵,通过调平螺丝调整气垫导轨使之水平,检查是否调平的方法是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)如图所示,游标卡尺测得遮光条的宽度Δd=________cm。
实验时,将橡皮条挂在滑块的挂钩上,向后拉伸一定的距离,并做好标记,以保证每次拉伸的距离恒定。
现测得挂一根橡皮条时,滑块弹离橡皮条后,经过光电门的时间为Δt,则滑块最后匀速运动的速度表达式为________(用字母表示)。
(3)逐根增加橡皮条,记录每次遮光条经过光电门的时间,并计算出对应的速度。
则画出的Wv2图像应是______________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:
(1)检查导轨是否水平的方法:
将滑块轻放在气垫导轨上,看其是否滑动(或将滑块轻放在气垫导轨上,轻推滑块看是否匀速运动)。
(2)Δd=5mm+0.05mm×10=5.50mm=0.550cm滑块匀速运动的速度v=
。
(3)由动能定理可知,W=
mv2,故画出的Wv2图像应是过坐标原点的一条倾斜直线。
答案:
(1)将滑块轻置于气垫导轨之上,看其是否滑动;或将滑块轻置于气垫导轨之上,轻推滑块看是否匀速运动(其他方法正确同样得分)
(2)0.550
(3)过坐标原点的一条倾斜直线
【参考备选题】
1.关于探究动能定理的实验中,下列叙述正确的是( )
A.每次实验必须设法算出橡皮筋对小车做功的具体数值
B.每次实验中,橡皮筋拉伸的长度没有必要保持一致
C.放小车的长木板应该尽量使其水平
D.先接通电源,再让小车在橡皮筋的作用下弹出
解析:
选D.本实验没有必要测出橡皮筋做的功到底是多少焦耳,只要测出以后每次实验时橡皮筋做的功是第一次的多少倍就足够了,A错;每次实验橡皮筋拉伸的长度必须保持一致,只有这样才能保证以后每次实验时,橡皮筋做的功是第一次的整数倍,否则,功的数值难以测定,B错;小车运动过程中会受到阻力,只有使木板倾斜到一定程度,才能减小误差,C错;实验时,应该先接通电源,让打点计时器开始工作,然后再让小车在橡皮筋的作用下弹出,D正确.
2.如图所示,在“探究功与物体速度变化的关系”的实验中,关于橡皮筋做的功,下列说法中正确的是( )
A.橡皮筋做的功可以直接测量
B.通过增加橡皮筋的条数可以使橡皮筋对小车做的功成整数倍增加
C.橡皮筋在小车运动的全程中始终做功
D.把橡皮筋拉伸为原来的两倍,橡皮筋做功也增加为原来的两倍
【解析】 橡皮筋做的功等于橡皮筋所释放的弹性势能,但无法直接测量,橡皮筋的条数成倍增加,弹性势能也会成倍增加,即做功成倍增加,但橡皮筋只是在释放弹性势能的一段时间内才做功,故A、C错,B对.橡皮筋的弹性势能与形变量的平方成正比,当拉伸为原来的两倍时,橡皮筋的做功变为原来的4倍,故D错.【答案】 B
3.(2013·福建高考)在“探究恒力做功与动能改变的关系”实验中(装置如图甲):
(1)下列说法哪一项是正确的( )
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为计数点,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)。
[答案]
(1)C
(2)0.653
4.某实验小组采用如图甲所示的装置来探究“功与
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 江苏 物理 高考 新增 考点 实验 探究 动能 定理 要点