2020年物理高考大一轮复习 实验5 探究动能定理课件

第五章机械能及其守恒定律高考总复习·物理实验五探究动能定理高考总复习·物理知识梳理·夯实基础核心考点·分层突破目录知识梳理·夯实基础︿︿一、实验目的、原理、器材目的探究外力对物体做功与物体动能变化的关系原理探究功与物体动能变化的关系，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获得的速度，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器材橡皮筋、打点计时器、小车、纸带、复写纸、电源、导线、二、实验步骤1．垫高木板的一端，平衡摩擦力．2．拉伸的橡皮筋对小车做功：(1)用一条橡皮筋拉小车——做功W；(2)用两条橡皮筋拉小车——做功2W；(3)用三条橡皮筋拉小车——做功3W.3．测出每次做功后小车获得的速度v.4．分别用各次实验测得的v和W绘制W­v或W­v2、W­v3……图象，直到明确得出W和v的关系．三、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＝xT(其中T为打点周期)．2．实验数据处理：在坐标纸上画出W­v和W­v2图象(“W”以一根橡皮筋做的功为单位)，根据图象得出W∝v2.四、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，测量不准带来的误差．五、注意事项1．平衡摩擦力的方法是轻推小车，由打在纸带上的点是否均匀判断小车是否匀速运动．2．测小车速度时，应选纸带上点均匀分布的部分．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．核心考点·分层突破︿︿考点1实验原理和实验操作【例题1】(2019·临沂第十九中学高三调研)如图甲所示，用质量为m的重物通过滑轮牵引小车，使它在长木板上运动，打点计时器在纸带上记录小车的运动情况．利用该装置可以完成“探究动能定理”的实验．(1)实验中，需要平衡摩擦力和其他阻力．正确操作方法()(选填选项前的字母)．A．把长木板右端垫高B．改变小车的质量在不挂重物且(选填选项前的字母)的情况下，轻推一下小车，若小车拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响．A．计时器不打点B．计时器打点(2)接通电源，释放小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，将打下的第一个点标为O.在纸带上依次取A、B、C……若干个计数点，已知相邻计数点间的时间间隔为T.测得A、B、C……各点到O点的距离为x1、x2、x3……，如图乙所示．实验中，重物质量远小于小车质量，可认为小车所受的拉力大小为mg，从打O点到打B点的过程中，拉力对小车做的功W＝，打B点时小车的速度v＝.(3)假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响，若重物质量不满足远小于小车质量的条件，则从理论上分析，图丙中正确反映v2­W关系的是．解析(1)平衡摩擦力的方法是：把木板一端垫高，让小车滑下，当小车匀速运动时，就意味着摩擦力抵消了，故选项A正确．平衡摩擦力时，应当让打点计时器打点，因为打点计时器也会有摩擦力，故选项B正确．(2)由于近似认为拉力等于重力，所以根据W＝Fs可知，拉力做功为W＝mgx2；中点时刻的速度等于该段时间内的平均速度，所以B点的速度等于AC段的平均速度，即v＝sAC2T＝x3－x12T.(3)如果实验中完全消除了摩擦力和其它阻力，那么重物重力做的功就等于重锤和小车动能的增加量；即W＝12(M＋m)v2，其中W＝mgh，质量都是定值，所以v2与W成正比，选项A正确．答案(1)AB(2)mgx2x3－x12T(3)A【跟踪训练1】(2019·温州九校高三联考)利用如图所示的装置“探究功与物体速度变化关系”，小车在橡皮筋的作用下沿着木板滑行．实验中：(1)如图装置中的打点计时器要接下列的那种电源．(2)下图实验器材中，既能用于“探究做功与物体速度变化的关系”，还能用于“探究小车速度随时间变化的规律”、“探究加速度与力、质量的关系”、“验证机械能守恒定律”等分组实验的是．(3)为了平衡小车运动中受到的阻力，应该采用下列的方法．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出的点间隔均匀(4)按合理的方式进行实验时，下列三条纸带中哪一条是操作时可能得到的纸带．解析(1)由图可知，打点计时器为电火花计时器，所以应选用220V的交流电源，故选项B正确．(2)探究做功与物体速度变化的关系，还能用于“探究小车速度随时间变化的规律”、“探究加速度与力、质量的关系”、“验证机械能守恒定律”中由各自实验原理可知，不需要天平和秒表，需要打点计时器和刻度尺，故选项A、D正确．(3)为了平衡摩擦力的影响，在实验中可以将木板一端垫高，则小车受到的重力的分力可以与摩擦力平衡；小车做匀速运动时，则摩擦力的影响可以抵消，此时，小车后面的纸带上的点应为均匀分布的，故选项C正确．(4)小车在橡皮筋的作用下先做加速运动，当橡皮筋恢复原长后，小车做匀速直线运动，所以得到的纸带中相邻两点间的距离先增大后均匀，故选项C正确．答案(2)B(2)AD(3)C(4)C考点2实验数据处理【例题2】(2019·临沂第十九中学高三调研)在“探究功与物体速度变化的关系”的实验中，某实验探究小组的实验装置如图甲所示．木块从A点静止释放后，在1根弹簧作用下弹出，沿足够长木板运动到B1点停下，O点为弹簧原长时所处的位置，测得OB1的距离为L1，并记录此过程中弹簧对木块做的功为W.用完全相同的弹簧2根、3根……并列在一起进行第2次、第3次……实验，每次实验木块均从A点释放，木块分别运动到B2、B3……停下，测得OB2、OB3……的距离分别为L2、L3……，作出弹簧对木块做功W与木块停下的位置距O点的距离L的W­L图象，如图乙所示．(1)根据图线分析，弹簧对木块做功W与木块在O点的速度v0之间的关系．(2)W­L图线为什么不通过原点？.(3)弹簧被压缩的长度LOA为多少？.解析木块在平衡位置处获得最大速度，之后与弹簧分离，在摩擦力作用下运动到B位置停下，由O到B根据动能定理－FfL＝0－12mv20，故L∝v20；对全过程应用动能定理有W－FfLOA－FfL＝0即W＝FfL＋FfLOA结合数学解析式判断图象中斜率为摩擦力大小、截距等于OA段摩擦力做的功．(1)由动能定理知L∝v20，由图线知W与L成线性变化，因此W与v20也应成线性关系，即W∝v20.(2)根据动能定理全过程的表达式W－FfLOA－FfL＝0，所以W－L图线不通过原点，是因为未计木块通过AO段时，摩擦力对木块所做的功(或AO段木块克服摩擦力所做的功)．(3)图中W轴上的斜率等于摩擦力大小，即Ff＝WL＝5－142－6×102N＝1009N，截距等于摩擦力做的功，将W＝1J，L＝0.06m代入，得b＋6Ff＝1，所以b＝13J，则LOA＝bFf＝110039＝0.03m＝3cm.答案(1)W与v0的二次方成线性变化(2)未计木块通过AO段时，摩擦力对木块所做的功(3)3cm【跟踪训练2】(2019·玉溪一中高三调研)如图甲所示的装置，可用于探究恒力做功与速度变化的关系．水平轨道上安装两个光电门，小车上固定有力传感器和挡光板，细线一端与力传感器连接，另一端跨过定滑轮挂上砝码盘．(1)实验需要用20分度的游标卡尺测量挡光板的宽度d，如图乙所示，d＝mm.(2)实验时首先保持轨道水平，通过调整砝码盘里的质量让小车做匀速运动以实现平衡摩擦力，再进行后面的操作，并在实验中获得以下测量数据：小车、力传感器和挡光板的总质量M，平衡摩擦力时砝码和砝码盘的总质量m0，挡光板的宽度d，光电门1和2的中心距离s.某次实验过程，力传感器的读数为F，小车通过光电门1和光电门2的挡光时间分别为t1、t2(小车通过光电门2后，砝码盘才落地)，砝码盘和砝码的质量为m，已知重力加速度为g，则以小车为研究对象，实验要验证的表达式是．A．mgs＝12Mdt22－12Mdt12B．(m－m0)gs＝12Mdt22－12Mdt12C．(F－m0g)s＝12Mdt22－12Mdt12D．Fs＝12Mdt22－12Mdt12解析(1)游标卡尺的主尺读数为5mm，游标读数为0.05×9mm＝0.45mm，则d＝5.45mm.(2)根据极短时间内的平均速度等于瞬时速度知，小车通过光电门1和光电门2的瞬时速度分别为v1＝dt1，v2＝dt2，则小车动能的增加量为12Mv22－12Mv21＝12Mdt22－12Mdt12，外力对小车做的功W＝(F－m0g)s，则需要验证的表达式为(F－m0g)s＝12Mdt22－12Mdt12，故选项C正确．答案(1)5.45(2)C考点3实验创新设计本实验可从下列两个方面改进创新1．实验器材的改进：用拉力传感器测量拉力，用速度传感器测量速度．2．实验方案的创新(1)利用自由落体运动探究功和动能的关系．(2)研究小车以不同的初速度沿粗糙水平面滑动的距离，得出小车的初动能大小与克服摩擦力做功的情况，也可探究动能定理．(3)让小球从斜面上某高处滚下，然后做平抛运动等．【例题3】(2019·江南十校高三综合素质检测)某同学设计如图所示装置来探究动能定理．带有水平部分的斜槽固定在地面上(固定部分没有画出)，斜槽面倾角为θ，在E点与水平部分平滑连接．水平部分高度为H，末端F点在水平地面上的投影点记为O点．O点右侧铺一张白纸，上面铺上复写纸以记录落点位置．先让可视为质点的滑块从斜槽面上的某一点释放，恰好运动到F点，该释放点记为M点．在斜槽上作出N、P、Q点，且MN＝NP＝PQ.然后分别让滑块从N点、P点、Q点由静止释放落到水平地面白纸上的A1、A2、A3点．已知斜槽面各处粗糙程度相同．则(1)利用“倍增法”来探究动能定理的过程中，斜槽面的倾角θ、斜槽水平部分的高度H是否必须测量(选填“是”或“否”)？在实验误差允许的范围内，满足OA1：OA2：OA3＝，动能定理得到验证．(2)若斜槽的倾角θ、桌面高度H在实验前已被测定．有人想借助该装置测定斜槽面与滑块间的动摩擦因数μ，必须要测定的物理量．A．滑块质量B．当地的重力加速度gC．释放点到M点的距离x1D．滑块落地点到O点的距离x2解析(1)设M点到E点的距离为x0，EF＝L，在M点释放，mgx0sinθ＝μmg(x0cosθ＋L)，设MN＝NP＝PQ＝x，在N点释放mg(x0＋x)sinθ－μmg((x0＋x)cosθ＋L)＝12mv21，整理得mgxsinθ－μmgxcosθ＝12mv21，同理可得在P点释放2(mgxsinθ－μmgxcosθ)＝12mv22，在Q点释放3(mgxsinθ－μmgxcosθ)＝12mv23，从F点离开，小球做平抛运动，高度相同，所以运动时间相同，根据水平方向x＝vt，只需满足OA1∶OA2∶OA3＝1∶2∶3即可，不需要测量倾角θ、斜槽水平部分的高度H.(2)根据mgx1sinθ－μmgx1cosθ＝14mgx22H，测定斜槽面与滑块间的动摩擦因数μ，必须要测定的物理量是释放点到M点的距离x1，滑块落地点到O点的距离x2，所以选项C、D正确．答案(1)否1∶2∶3(2)CD【跟踪训练3】(2019·哈尔滨第六中学高三月考)某同学利用如图甲所示的装置验证动能定理．固定并调整斜槽，使它的末端O点的切线水平，在水平地面上依次铺放好木板、白纸、复写纸．将小球从不同的标记点由静止释放，记录小球到达斜槽底端时下落的高度H，并根据落点位置测量出小球平抛的水平位移x.改变小球在斜槽上的释放位置，进行多次测量，记录数据