高中物理-实验五探究动能定理课件-教科版

实验五探究动能定理1.探究外力做功与物体速度的关系2.通过分析论证和实验探究，培养实验探究能力和创新精神1.采用如图所示装置,让小车在橡皮筋作用下弹出,使小车获得速度后沿木板匀速滑行2.当用一条橡皮筋弹出时对小车做的功记为W,则用两条、三条……完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次……实验,每次橡皮筋都拉伸到同一位置释放时,实验中橡皮筋对小车做的功就是2W、3W……3.橡皮筋每次实验做的功使小车获得的速度根据打点计时器打出的纸带得到4.当得出若干组功和速度的数据后,以橡皮筋对小车做的功W为纵坐标,分别以小车获得的速度v、v2……为横坐标,以第1次实验时的功W为单位,用描点法分别作出W-v、W-v2曲线,分析曲线,得出橡皮筋对小车做的功与小车速度的定量关系小车(前面带小钩)、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(若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.一、实验步骤1.按图中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.二、数据处理1.测量小车的速度实验获得如图所示的纸带，为探究橡皮筋弹力做的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：A1、A2间的距离x，小车速度的表达式是(T为打点计时器打点的时间间隔).xvT＝2.实验数据记录橡皮筋条数位移x/m时间t/s速度v/m•s－1速度平方v2/m2•s－23.实验数据处理及分析(1)观察法：当橡皮筋的条数成倍增加，即合外力做的功成倍增加时，观察小车的速度或速度的平方如何变化，有何变化规律.(2)图像法：在坐标纸上画出W-v或W-v2图线(“W”以一根橡皮筋做的功为单位).4.实验结论从图像分析外力对物体做功与物体速度变化的关系.1.误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋的拉力做的功W与橡皮筋的条数不成正比.2.没有完全平衡摩擦力(倾角小)或平衡摩擦力过度(倾角过大)也会造成误差.3.利用纸带计算小车的速度时，测量间距不准确或所选阶段不正确带来误差.1.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，找到长木板的一个合适的倾角.2.测小车速度时，应选纸带上的点均匀的部分，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.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，达到简化实验过程的目的.对实验原理的理解【例证1】“探究动能定理”的实验装置如图甲所示，当小车在两条橡皮筋作用下弹出时，橡皮筋对小车做的功记为W0.当用4条、6条、8条…完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、第4次…实验时，橡皮筋对小车做的功记为2W0、3W0、4W0…，每次实验中由静止弹出的小车获得的最大速度可由打点计时器所打的纸带测出.(1)关于该实验，下列说法正确的是()A.打点计时器可以用直流电源供电，电压为4～6VB.实验中使用的若干根橡皮筋的原长可以不相等C.每次实验中应使小车从同一位置由静止弹出D.利用每次测出的小车最大速度vm和橡皮筋做的功W，依次作出W-vm、W-vm2、W-vm3、W2-vm、W3-vm…的图像，得出合力做功与物体速度变化的关系(2)图乙给出了某次在正确操作情况下打出的纸带，从中截取了测量物体最大速度所用的一段纸带，测得O点到A、B、C、D、E各点的距离分别为OA=5.65cm,OB=7.12cm,OC=8.78cm,OD=10.40cm,OE=11.91cm.已知相邻两点打点时间间隔为0.02s,则小车获得的最大速度vm=＿＿＿＿＿＿m/s.【规范解答】(1)打点计时器一定用交流电源，A错误；实验中一定要用相同的橡皮筋，B错误；每次实验中，应使小车从同一位置由静止弹出，C正确；在探究小车最大速度和橡皮筋做功W的关系时，要作出各种不同的可能关系图像，得出合力做功与物体速度变化的关系，D正确.(2)小车获得的最大速度应该用纸带上点间距相等段求解，在图中纸带上应用B、D段求小车的最大速度.答案：(1)C、D(2)0.822m10.407.1210ODOBvm/s0.82m/s.2T20.02实验数据的处理与分析【例证2】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.v,(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图像.根据绘制出的L-v图像，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图像B.L-图像C.L-图像D.L-图像(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？v1v1v【规范解答】(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”的图像，该图像为曲线，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的图像，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)见规范解答(2)A(3)不会121.在“探究功与物体速度变化关系”的实验中，每次选取纸带后，我们应选取纸带上的哪些点来求小车的速度()A.间距均匀的B.间距不均匀的C.间距均匀的与不均匀的都可D.最好是间距均匀的，若纸带上没有间距均匀的，也可用间距不均匀的【解析】选A.橡皮筋完全恢复后不再有力对小车做功，小车做匀速运动，纸带上的点间距是均匀的，故A对，B、C错；若纸带上没有间距均匀的点，说明纸带太短，橡皮筋还没完全恢复原状纸带已完全通过打点计时器，在这种情况下应选用更长的纸带，或者是因为没有完全平衡摩擦力，需重新平衡摩擦力，故D错.2.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(填字母代号)()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A、B、C、F.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.3.(2012·三门峡模拟)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W-v2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).(2)Δd=5mm+0.05mm×10=5.50mm=0.550cm滑块匀速运动的速度(3)由动能定理可知，故画出的W-v2图像应是过坐标原点的一条倾斜直线.Δdv.Δt21Wmv,2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(其他方法正确同样得分)(2)(3)过坐标原点的一条倾斜直线Δd0.550Δt4.在“探究恒力做功与动能改变的关系”的实验中，某实验小组采用如图甲所示的装置.实验步骤如下：(1)把纸带的一端固定在小车的后面，另一端穿过打点计时器；(2)改变长木板的倾角，以重力的一个分力平衡小车及纸带受到的摩擦力；(3)用细线将长木板上的小车通过一个定滑轮与悬吊的砂桶相连；(4)接通电源，放开小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列的点；(5)测出x、x1、x2(如图乙)，已知电磁打点计时器的打点周期为T，则：判断重力的一个分力是否已与小车及纸带受到的摩擦力平衡的直接证据是___________.本实验还需直接测量的物理量是___________.(用文字说明并用相应的符号表示)探究结果的表达式是_________________________________.(用相应的符号表示)【解析】根据纸带上的点迹是否均匀来判断是否平衡了摩擦力，确定运动小车的速度应选用点迹清晰、均匀的部分来求解.确定小车动能的变化必须知道小车的质量M，细线对小车做功是通过砂桶拉细线实现的，还应知道砂和砂桶的质量m.答案：纸带上点迹的间距相等小车的质量M、砂和砂桶的质量m2221xx11mgxM()M()22T22T5.某同学用如图所示的实验装置探究小车动能变化与合外力对它所做功的关系.图中A为小车，连接在小车后面的纸带穿过打点计时器B的限位孔，它们均置于水平放置的一端带有定滑轮的足够长的木板上，C为弹簧测力计，不计绳与滑轮间的摩擦.实验时，先接通电源再松开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点.(1)该同学在一条比较理想的纸带上，依次选取0、1、2、3、4、5共六个计数点，分别测量后5个计数点与计数点0之间的距离，并计算出它们与0点之间的速度平方差Δv2(Δv2=v2-v02)，填入表中：计数点x/cmΔv2/m2•s-20//11.600.0423.600.0936.000.1547.000.1959.200.23请以Δv2为纵坐标、以x为横坐标在方格纸中作出Δv2-x图像.若测出小车质量为0.2kg,结合图像可求得小车所受合外力的大小为________N.(2)该同学通过计算发现小车所受合外力小于测力计读数，明显超出实验误差的正常范围.你认为主要原因是____________，实验操作中改进的措施是______________