暑期学考复习物理第13讲.docx
- 文档编号:6655134
- 上传时间:2023-01-08
- 格式:DOCX
- 页数:32
- 大小:382.76KB
暑期学考复习物理第13讲.docx
《暑期学考复习物理第13讲.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《暑期学考复习物理第13讲.docx(32页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
暑期学考复习物理第13讲
第13讲实验
实验目的
1.通过实验探究外力对物体做功与物体速度的关系.
2.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,可用如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.
实验器材
小车(前面带小钩)、100g~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(使用电火花计时器不用学生电源)、5~6条相同规格的橡皮筋、刻度尺.
实验步骤
1.按上图所示将实验仪器安装好.
2.平衡摩擦力:
在长木板的有打点计时器的一端下面垫一块木板,反复移动木板的位置,直至小车上不挂橡皮筋时,纸带打出的点间距均匀,即小车能匀速运动为止.
3.先用1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W,将这一组数据记入表格.
4.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2W,测出小车获得的速度v2,将数据记入表格.
5.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.
橡皮筋
条数
位移
x/m
时间
t/s
速度
v/(m·s-1)
速度平方
v2/(m2·s-2)
1
2
3
4
5
6
数据处理
1.求小车的速度:
利用纸带上点迹均匀的一段测出两点间的距离x,则v=
(t为所测两点间的时间间隔).
2.实验数据处理
(1)计算出各个速度的平方v2的值,并填入表格
(2)在坐标纸上(如图)画出W-v和W-v2图线(“W”以一根橡皮筋做的功为单位).
3.实验结论:
从图象可知功与物体速度变化的关系W∝v2.
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.利用打上点的纸带计算小车的速度时,测量不精确带来误差.
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匀速运动,找到木板一个合适的倾角.
2.测小车速度时,纸带上的点应选均匀部分的,也就是选小车做匀速运动的部分.
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.
4.小车质量应大一些,使纸带上打的点多一些.
拓展创新
1.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.
2.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、提高实验精度的目的.
对实验原理和实验方法的考查
“探究功与速度变化的关系”的实验装置如图所示,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;由于橡皮筋松弛后,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
实验数据的处理
如图所示,是某研究性学习小组做探究动能定理的实验,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,还需要的器材有电源和_________________.
(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v
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象验证理论的正确性.
[解析]
(1)计算小车速度需要测量纸带上的点的距离,要用刻度尺.
(2)小车匀速运动时,纸带上的点的间隔均匀.
(3)橡皮筋每增加一条,对小车做的功就增加W.
(4)纵坐标表示速度的平方,横坐标表示功,利用描点法描出各组数据对应的点,然后用平滑曲线连线作出v
-Wn图象,如图所示.
[答案]
(1)刻度尺
(2)点距均匀 (3)2W、3W、4W、5W (4)v
图象见解析
范例 某兴趣小组在做“探究功与速度变化的关系”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甲所示,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…,并绘制了如图乙所示的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)由于题图乙是关于“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
[点评] 本实验的创新点有:
(1)实验器材创新——用速度传感器测速度;
(2)改变做功多少的创新——通过改变做功位移来改变做功多少;
(3)做功的力的特点创新——本实验做功的力为恒力,且不需平衡摩擦.
1.某实验小组采用如图甲所示的装置“探究功与速度变化的关系”,小车在橡皮筋的作用下弹出后,沿木板滑行,打点计时器工作频率为50Hz.
(1)实验中木板略微倾斜,这样做________.
A.是为了释放小车后,小车能匀加速下滑
B.是为了增大橡皮筋对小车的弹力
C.是为了使橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功
D.是为了使橡皮筋松弛后小车做匀加速运动
(2)若根据多次测量数据画出的W-v草图如图乙所示,根据图线形状可知,对W与v的关系作出的以下猜想肯定不正确的是________.
A.W∝
B.W∝
C.W∝v2D.W∝v3
2.在“探究功与物体速度变化的关系”实验中,
(1)为了平衡小车运动中受到的阻力.应该采用下面所述的________方法(填“a”、“b”或“c”).
a.逐步调节木板的倾斜程度,使静止的小车开始运动
b.逐步调节木板的倾斜程度,使小车在木板上保持静止
c.逐步调节木板的倾斜程度,使夹在小车后面的纸带上所打的点间隔均匀
(2)在上述实验中,打点计时器使用的交流电频率为50Hz.某同学打出的一段纸带如图所示,则小车匀速运动时的速度大小为________m/s.(计算结果保留3位有效数字)
(3)在上述实验中,某同学分别用1根、2根、……、5根相同橡皮筋进行实验,测得小车匀速运动时的速度分别为0.52m/s、0.78m/s、0.96m/s、1.08m/s、1.22m/s.请根据实验数据在下面的坐标纸中画出W-v的图线.
(4)根据(3)所得图线,为了得到功与物体速度变化的定量关系,你认为应该作什么图线?
____________________.
3.
(1)在“探究恒力做功与动能改变的关系”的实验中(装置如图甲):
(1)下列说法哪一项是正确的________.(填选项前的字母)
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).
4.某同学为探究动能定理,设计了如下实验,他的操作步骤如下:
(1)按图甲摆好实验装置,其中小车质量M=0.20kg,钩码总质量m=0.05kg.
(2)释放小车,然后接通打点计时器的电源(电源频率为f=50Hz),打出一条纸带.
(3)他在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条,如图乙所示.把打下的第一点记作0,然后依次取若干个计数点,相邻计数点间还有4个点未画出,用厘米刻度尺测得各计数点到0点距离分别为d1=0.041m,d2=0.055m,d3=0.167m,d4=0.256m,d5=0.360m,d6=0.480m…,他把钩码重力(当地重力加速度g=10m/s2)作为小车所受合力,算出打下0点到打下第5点合力做功W=________J(结果保留三位有效数字),用正确的公式Ek=________(用相关数据前字母列式)把打下第5点时小车的动能作为小车动能的改变量,算得Ek=0.125J.
(4)此次实验探究的结果,他没能得到“合力对物体做的功等于物体动能的增量”,且误差很大.通过反思,他认为产生误差的原因如下,其中正确的是________.
A.钩码质量太大,使得合力对物体做功的测量值比真实值偏大太多
B.没有平衡摩擦力,使得合力对物体做功的测量值比真实值偏大太多
C.释放小车和接通电源的次序有误,使得动能增量的测量值比真实值偏小
D.没有使用最小刻度为毫米的刻度尺测距离也是产生此误差的重要原因
5.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“研究合外力做功和动能变化的关系”的实验:
(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.
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).
实验六 验证机械能守恒定律
实验目的
利用自由落体运动验证只有重力作用下的物体机械能守恒.
实验原理
在只有重力做功的自由落体运动中,分别求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量,若二者相等,说明机械能守恒,从而验证机械能守恒定律.
实验器材
铁架台(含铁夹)、打点计时器、学生电源、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、重物(带纸带夹).
实验步骤
1.安装置:
按图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路.
2.打纸带:
将纸带的一端用夹子固定在重物上,另一端穿过打点计时器的限位孔用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方.先接通电源,后松开纸带,让重物带着纸带自由下落.更换纸带重复做3次~5次实验.
3.选纸带:
用
mv
-
mv
=mgΔh验证时,只要纸带点迹清晰就可选用.
数据处理
1.求瞬时速度
在第一个打点上标出O,并从稍靠后的某一点开始,依次标出1、2、3、4、…并量出各点到位置O的距离h1、h2、h3、h4、….用公式vn=
计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、v3、v4、….
2.验证守恒
法一:
利用起始点和第n点计算.代入ghn和
v
,如果在实验误差允许的范围内,ghn=
v
,则说明机械能守恒定律是正确的.
法二:
任取两点计算
(1)任取两点A、B测出hAB,算出ghAB.
(2)算出
v
-
v
的值.
(3)如果在实验误差允许的范围内,ghAB=
v
-
v
,则说明机械能守恒定律是正确的.
法三:
图象法.从纸带上选取多个点,测量从第一点到其余各点的下落高度h,并计算各点速度的平方v2,然后以
v2为纵轴,以h为横轴,根据实验数据绘出
v2-h图线.若在误差允许的范围内图象是一条过原点且斜率为g的直线,则验证了机械能守恒定律.
误差分析
1.本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功,故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp,即ΔEk<ΔEp,这属于系统误差.改进的办法是调整器材的安装,选用质量和密度较大的重物,尽可能地使阻力的影响相对减小.
2.本实验的另一个误差来源于长度的测量,属偶然误差.减小误差的办法是测下落距离时都从O点量起,一次将各打点对应的下落高度测量完,或者多次测量取平均值.
注意事项
1.安装打点计时器时,必须使两个限位孔的中线严格竖直,以减小摩擦阻力.
2.实验中,提纸带的手要保持不动,且保证纸带竖直.接通电源后,打点计时器工作稳定后再松开纸带.
3.纸带长度选用60cm左右为宜,应选用点迹清晰的纸带进行测量.
4.测下落高度时,要从第一个点测起,并且各点对应的下落高度要一次测量完.
5.速度不能用vn=gtn或vn=
计算,因为只要认为加速度为g,机械能当然守恒,即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律,况且用vn=gtn计算出的速度比实际值大,会得出机械能增加的错误结论,而因为摩擦阻力的影响,机械能应该减小,所以速度应从纸带上直接测量计算.同样的道理,重物下落的高度h,也只能用刻度尺直接测量,而不能用hn=
gt
或hn=
计算得到.
拓展创新
1.物体的速度可以用光电计时器测量,消除纸带与限位孔的摩擦阻力带来的误差.
2.用频闪照相进行验证,消除纸带受到的阻力.
3.利用气垫导轨来设计该实验,以减小由于摩擦带来的误差.
对实验原理和实验器材的考查
用落体法“验证机械能守恒定律”的实验中.
(1)从下列器材中选出实验所必需的,其编号为________.
A.打点计时器(包括纸带);B.重锤;C.天平;D.毫米刻度尺;E.秒表;F.小车
(2)打点计时器的安装放置要求为________;开始打点计时的时候,应先________,然后________.
(3)实验中产生误差的原因主要是________,使重锤获得的动能往往________,为减小误差,悬挂在纸带下的重锤应选择________.
(4)如果以v2/2为纵轴.根据实验数据绘出的v2/2-h图线是________,该线的斜率等于________.
[解析]
(1)选出的器材有:
打点计时器(包括纸带).重锤,毫米刻度尺.因mgh=
mv2,故m可约去,不需要用天平.故编号为A、B、D.
(2)打点计时器安装时,铁架台要竖直,两限位孔在同一竖直线上,这样才能使重锤自由下落时,受到的阻力较小,开始记录时,应先给打点计时器通电,然后再放下重锤,让它带着纸带落下.
(3)产生系统误差的主要原因是纸带通过打点计时器时存在摩擦阻力,使得重锤获得的动能小于它所减少的重力势能,为减小误差,重锤应选体积小、质量大的.
(4)描绘出来的v2/2-h图线是一条通过坐标原点的倾斜直线,它的斜率即为重力加速度.
[答案] 见解析
[规律总结]
(1)纸带数据处理的关键是求出重物下落的高度hn和到达某点的瞬时速度vn,hn为某点到起始点O的距离,n点速度等于n-1点和n+1点之间的平均速度,即vn=
.
(2)由于mgh=
mv2,故
与h是正比例关系,其斜率
k=g=
.
对数据处理和误差分析的考查
在“验证机械能守恒定律”的实验中,打点计时器所用电源频率为50Hz,当地重力加速度的值为9.80m/s2,测得所用重物的质量为1.00kg.甲、乙、丙三位学生分别用同一装置打出三条纸带,量出各纸带上第1、2两点间的距离分别为0.18cm、0.19cm和0.25cm,可见其中肯定有一个学生在操作上有错误.
(1)错误操作是________________________________________________________________________.
(2)若按实验要求正确地选出纸带进行测量,量得连续三点A、B、C到第一个点O的距离如图所示(相邻计数点时间间隔为0.02s),那么(结果均保留两位有效数字)
①纸带的________端与重物相连.
②打点计时器打下计数点B时,重物的速度vB=________.
③在从起点O到打下计数点B的过程中重物重力势能的减少量是ΔEp=________,此过程中重物动能的增加量是ΔEk=________.
④通过计算,数值上ΔEp________ΔEk(填“>”、“=”或“<”),这是因为________________________________________________________________________.
⑤实验的结论是________________________________________________________________________.
[解析] 丙同学的操作步骤中有错误,错误操作是先放开纸带后接通电源.根据题图可知,纸带的左端与重物相连;vB=
=0.98m/s;ΔEp=mgxOB=0.49J,ΔEk=
mv
=0.48J;ΔEp>ΔEk,这是因为实验
中存在着阻力;通过实验分析可知,在实验误差允许范围内,重物的机械能守恒.
[答案]
(1)先放开纸带后接通电源
(2)①左 ②0.98m/s ③0.49J 0.48J ④> 实验中存在着阻力 ⑤在实验误差允许范围内,重物的机械能守恒
范例 现要通过实验验证机械能守恒定律.实验装置如图所示:
水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨;导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块,其总质量为M,左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连;遮光片两条长边与导轨垂直;导轨上的B点有一光电门,可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t.用d表示A点到导轨底端C点的距离,h表示A与C的高度差,b表示遮光片的宽度,s表示A、B两点间的距离,将遮光片通过光电门的平均速度看做滑块通过B点时的瞬时速度.用g表示重力加速度.完成下列填空和作图:
(1)若将滑块自A点由静止释放,则在滑块从A运动至B的过程中,滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减小量可表示为______,动能的增加量可表示为______.若在运动过程中机械能守恒,
与s的关系式为
=________.
(2)多次改变光电门的位置,每次均令滑块自同一点(A点)下滑,测量相应的s与t值.结果如下表所示:
1
2
3
4
5
s(m)
0.600
0.800
1.000
1.200
1.400
t(ms)
8.22
7.17
6.44
5.85
5.43
1/t2(104s-2)
1.48
1.95
2.41
2.92
3.39
以s为横坐标,
为纵坐标,在如图所示的坐标纸中描出第1个和第5个数据点;根据5个数据点作直线,求得该直线的斜率k=________×104m-1·s-2(保留3位有效数字).
由测得的h、d、b、M和m数值可以计算出
-s直线的斜率k0,将k和k0进行比较,若其差值在实际允许的范围内,则可认为此实验验证了机械能守恒定律.
[解析]
(1)将滑块自A点由静止释放,则在滑块从A运动至B的过程中,下落的高度设为hAB,由几何关系得:
=
,解得:
hAB=
滑块系统重力势能的减少量
ΔEp=MghAB-mgs
=
-mgs=
gs;
动能的增加量ΔEk=
v
=
.
若在运动过程中机械能守恒,则
gs=
,
解得
=
=
.
(2)描点画图如下:
由图可知:
- 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:
- 暑期 复习 物理 13