高考物理一轮复习 5-5实验 探究动能定理验证机械能守恒定律课件

实验探究动能定理开卷速查规范特训回扣教材抓基础第5讲实验题型分类学方法夯实基础厚积薄发回扣教材抓基础知识梳理一、探究动能定理1．实验目的探究外力对物体做功与物体速度变化的关系．2．实验原理探究功与物体速度变化的关系，可通过改变力对物体做的功，测出力对物体做不同功时物体的□1，为简化实验可将物体初速度设置为零，可用图5－5－1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.速度变化图5－5－13．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，5～6条等长的橡皮筋，刻度尺．4．实验步骤(1)按如图5－5－1所示将实验仪器安装好，同时平衡摩擦力．(2)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．(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，这样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．(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．(5)分析数据，得出结论．①测量小车的速度．实验获得如图5－5－2所示的纸带，为探究橡皮筋弹力做功和小车速度的关系，需要测量弹力做功结束时小车的速度，即小车做匀速运动的速度，应在纸带上测量的物理量是(用字母表示)：A1、A2间的距离x，小车速度的表达式是(用测量的物理量表示)v＝□2(T为打点计时器打点的时间间隔)．xT图5－5－2②实验数据记录.③实验数据处理及分析．在坐标纸上(图5－5－3)画出W­v或W­v2图象(“W”以一条橡皮筋做的功为单位)．图5－5－3④实验结论．从图象可知功与物体速度变化的关系W∝□3.v25．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，由打点计时器打出纸带上的点的均匀程度判断小车是否匀速运动．(2)测小车速度时，纸带上的点应选均匀部分的，也就是测量小车做匀速运动时的速度．(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．6．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．(3)利用打上点的纸带计算小车的速度时，测量不准确带来误差．二、验证机械能守恒定律1．实验目的验证机械能守恒定律．2．实验原理(1)当只有重力做功时，物体的□4和□5发生相互转化，但机械能的总量保持不变．据此，做自由落体运动的物体，只受重力作用，其机械能是守恒的．质量为m的物体自由下落，位置从A到B下降h高度时，若速度由vA变为vB，应有：mghAB＝□6.动能重力势能12mv2B－12mv2A(2)如图5－5－4所示，借助电火花计时器打出的纸带，测出物体自由下落的高度h和该时刻的速度v.打第n个计数点时的瞬时速度等于以该时刻为中间时刻的某一段时间内的平均速度，即vn＝xn＋xn＋12T或vn＝hn＋1－hn－12T.(T为相邻计数点间的时间间隔)图5－5－43．实验器材铁架台(带铁夹)，电火花计时器(或电磁打点计时器)，重锤(带纸带夹)，纸带，复写纸片，导线，毫米刻度尺，低压交流电源．4．实验步骤(1)按图5－5－5所示将装置竖直架稳．图5－5－5(2)手提纸带让重锤靠近打点计时器，待接通电源后，再松开纸带．(3)换几条纸带，重做上述实验．(4)选取点迹清晰的纸带测量：①在纸带上任意选取相距较远的两点A、B，测出两点之间的距离hAB.②利用公式计算出A、B两点的速度vA、vB.(5)比较ΔEp＝□7和ΔEk＝□8是否近似相等．(6)得出实验结论．mghAB12mv2B－12mv2A5．注意事项(1)应尽可能控制实验条件，即应满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：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应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小．(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，等打点计时器工作稳定后再松开纸带．(3)验证机械能守恒时，可以不测出物体质量，只要比较12v2n和ghn是否相等即可验证机械能是否守恒．(4)测量下落高度时，为了减小测量值h的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不易过长，有效长度可在60～80cm之间．(5)速度不能用vn＝gtn或vn＝2ghn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＝12gt2n或hn＝v2n2g计算得到．6．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，尽可能地减小阻力．(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．(3)打点计时器产生的误差．①由于交流电周期的变化，引起打点时间间隔变化而产生误差；②计数点选择不好，振动片振动不均匀，纸带放置方法不正确引起摩擦，造成实验误差．考点自测考点一探究动能定理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：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．答案：D2．在“探究功与物体速度变化关系”的实验中，若画出W­v的图象，应为图5－5－6中的()ABCD图5－5－6解析：通过实验可知，做的功W与小车速度v2成正比，故与v应是二次函数关系，故B正确，A、C、D均错．答案：B考点二验证机械能守恒定律3．(多选题)在“验证机械能守恒定律”的实验中，有关重物的质量，下列说法中正确的是()A．选用质量较大的重物，使重物和纸带所受的重力远大于它们所受的阻力B．应选用质量较小的重物，使重物的惯性小一些，下落时更接近于自由落体运动C．不需要称量重物的质量D．必须称量重物的质量，而且要估读到0.01g解析：本实验依据的原理是用重物自由下落验证机械能守恒定律，因此重物的质量应取得大一些，以便系统所受的阻力和重物的重力相比可以忽略不计，以保证重物做自由落体运动．对做自由落体运动的物体来说，物体的机械能守恒，即重力势能的减小量等于其动能的增加量，设物体质量为m，下落高度为h时的速度为v，则有12mv2＝mgh，约去m后，有v2＝2gh.分别计算对应的v2和2gh，即可验证机械能守恒定律是否成立．故此题选A、C.答案：AC4．图5－5－7为验证机械能守恒定律的实验装置示意图．现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平．回答下列问题：图5－5－7(1)为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有________(填入正确选项前的字母)．A．米尺B．秒表C．0～12V的直流电源D．0～12V的交流电源(2)实验中误差产生的原因有________________________________________________________________________(写出两个原因)．解析：本题意在考查考生对“验证机械能守恒定律”实验原理的理解，并能正确分析实验误差的来源．(1)打点计时器使用的电源为交流电源，故应选取0～12V的交流电源，D正确；利用米尺测量纸带上各点间的距离，A正确．本实验中利用打点计时器作为计时工具，所以不需要秒表，B错误．(2)实验误差的来源主要是由于下落过程中纸带与打点计时器间有摩擦，需要克服摩擦力做功，以及用米尺测量数据时读数有误差．答案：(1)AD(2)纸带和打点计时器之间有摩擦；用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差考点分类点点击破题型分类学方法题型一探究动能定理【例1】某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“动能定理”．如图5－5－8，他们将拉力传感器固定在小车上，用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连，用拉力传感器记录小车受到拉力的大小．在水平桌面上相距50.0cm的A、B两点各安装一个速度传感器，记录小车通过A、B时的速度大小．小车中可以放置砝码．图5－5－8(1)实验主要步骤如下：①测量________和拉力传感器的总质量M1；把细线的一端固定在拉力传感器上，另一端通过定滑轮与钩码相连；正确连接所需电路；②将小车停在C点，________，小车在细线拉动下运动，记录细线拉力及小车通过A、B时的速度；③在小车中增加砝码，或________，重复②的操作．(2)下表是他们测得的一组数据，其中M是M1与小车中砝码质量之和，|v22－v21|是两个速度传感器记录速度的平方差，可以据此计算出动能变化量ΔE，F是拉力传感器受到的拉力，W是F在A、B间所做的功．表格中的ΔE3＝________，W3＝________.(结果保留3位有效数字)(3)根据下表，请在图5－5－9中的方格纸上作出ΔE­W图线．次数M/kg|v22－v21|(m·s－1)2ΔE/JF/NW/J10.5000.7600.1900.4000.20020.5001.6500.4130.8400.42030.5002.400ΔE31.220W341.0002.4001.2002.4201.21051.0002.8401.4202.8601.430图5－5－9思路分析探究动能定理的实验中要测出合外力的功和动能变化，只是在不同的实验方案中测量功和动能的方法有些区别而已．解析：(1)由题设实验装置可知，钩码重力提供动力，绳子拉力充当小车的合外力，利用拉力传感器测量拉力F的大小，用米尺测量A、B之间的距离L，则合外力做功大小可由W＝FL计算得出．利用天平测量研究对象即小车及小车上砝码的总质量M，通过速度传感器测量小车经过A、B时的瞬时速度v，即可计算小车从A到B的动能变化量ΔE.改变小车的质量(即增加或减少小车上的砝码)，或者改变拉力大小(即增加或减少钩码的数量)，多次测量几组数据，最后比较合外力做功与动能变化量ΔE的数值，在误差允许范围内看是否近似相等．(2)由ΔE＝12M|v22－v21|，可得ΔE3＝0.600J由L＝50.0cm，F3＝1.220N，可得W3＝F3L＝0.610J(3)在方格纸上作出ΔE­W图线如图5－5－10所示．图5－5－10答案：(1)①小车②然后释放小车③减少钩码数量(2)0.600J0.610J(3)图象见解析图5－5－10变式训练1[2013·东北三省三校联考]某同学用图5－5－11甲所示装置验证合力做功和物体速度变化的关系．一个圆柱形铝管固定在水平桌面上，管口与桌边齐平，管的两侧开有小缝，可以让皮筋穿过，俯视如图乙所示．在桌边关于圆管对称的A、B两点固定两个钉子，缠绕在钉子上的皮筋在AB之间伸直且为原长，伸长后可以把小钢球弹出，小钢球与管之间