高考物理总复习实验5探究动能定理课件PPT

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一、实验目的1.探究外力对物体做功与物体速度变化的关系。2.通过实验数据分析,总结出合外力做功与物体速度二次方的正比关系。二、实验原理1.改变功的大小:采用如图所示的实验装置,用1条、2条、3条……规格同样的橡皮筋将小车拉到同一位置由静止释放,橡皮筋拉力对小车所做的功依次为W0、2W0、3W0、…。
2.确定速度的大小:小车获得的速度v可以由纸带和打点计时器测出,也可以用其他方法测出。3.寻找功与速度变化的关系:以橡皮筋拉力所做的功W为纵坐标,小车获得的速度v为横坐标,作出W-v或W-v2图象。分析图象,得出橡皮筋拉力对小车所做的功与小车获得的速度的定量关系。三、实验器材小车(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)、若干条规格相同的橡皮筋、毫米刻度尺。
四、实验步骤1.按原理图将仪器安装好。2.平衡摩擦力:在长木板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,轻推小车,纸带打出的点间距均匀,即小车能匀速运动。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W0,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2W0,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。
五、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:A1、A2间的距离x,小车速度的表达式是v= (T为打点计时器打点的时间间隔)。2.记录实验数据:把计算出的速度填入表格中并算出v2的值。
3.数据处理:在坐标纸上画出W-v或W-v2图线(“W”以一条橡皮筋做的功为单位)。
4.实验结论:合外力对物体做的功与物体速度变化的关系为W∝v2。
六、误差分析1.误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一致,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,测量不准带来误差。
七、注意事项1.平衡摩擦力: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:使小车连着纸带并接通电源,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.选点测速:测小车的速度时,纸带上的点应选均匀部分的,也就是选小车做匀速运动时的部分。3.橡皮筋的选择: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.先后顺序:开始实验时,小车应靠近打点计时器,并且要先接通电源再释放小车。5.小车的选择:小车质量应适当大一些,使纸带上打的点多一些。
1.在该实验中是如何判断小车做匀速直线运动的?提示：根据纸带上的点是否均匀来判断,如果均匀,说明小车做匀速直线运动。2.如果把长木板换成气垫导轨,是否还需要平衡摩擦力?提示：不需要平衡摩擦力。
实验原理与操作例1某学习小组做探究功与速度变化的关系的实验如图所示,图中小车是在一条橡皮筋作用下弹出的,沿木板滑行,橡皮筋对小车做的功记为W0。当用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(每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致),每次实验中小车获得的速度根据打点计时器打在纸带上的点进行计算。
(1)除了图中已有的实验器材外,还需要导线、开关、刻度尺和　　　　(选填“交流”或“直流”)电源。 (2)实验中,小车会受到摩擦力的作用,可以使木板适当倾斜来平衡摩擦力,下面操作正确的是(　　)A.放开小车,能够自由下滑即可B.放开小车,能够匀速下滑即可C.放开拖着纸带的小车,能够自由下滑即可D.放开拖着纸带的小车,能够匀速下滑即可(3)若木板水平放置,小车在两条橡皮筋作用下运动,当小车速度最大时,关于橡皮筋所处的状态与小车所在的位置,下列说法正确的是(　　)A.橡皮筋处于原长状态B.橡皮筋仍处于伸长状态
(4)在正确操作的情况下,打在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(根据如图所示的纸带回答)。 
数据处理与误差分析例2图1是某研究性学习小组的同学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,橡皮筋对小车做功记为W。当用2条、3条……n条完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次……第n次实验时,每次橡皮筋都被拉伸到同一位置释放。小车每次实验中获得的速度可以由打点计时器所打的纸带测出,图2甲为某次实验中打出的纸带。
(1)除了图中已给出的实验器材和电源外,还需要的器材有　　　　　　。 (2)实验时为了使小车只在橡皮筋作用下运动,应采取的措施是 　。 (3)每次实验得到的纸带上的点分布并不都是均匀的,为了测量小车最终获得的末速度,应选用纸带的　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　部分进行测量。 
(4)下面是本实验的数据记录及数据处理表。
从理论上讲,橡皮筋做的功Wn与物体获得的速度vn之间的关系是Wn∝　　　　　,请你运用表中的数据在如图2乙所示的坐标系中作出相应的图象,以验证理论的正确性。 
规律总结处理实验数据的方法有平均值法、列表法和图象法,本题主要用了后两种方法处理实验数据。列表法的优点是将数据列成表格,可以简明地表示出有关物理量之间的关系,便于检查测量结果和运算是否合理,有助于发现和分析问题,而且列表法还是图象法的基础。图象法的优点是通过作图可以找到或反映物理量之间的变化关系,并便于找出其中的规律,确定对应量的函数关系。
实验的改进与创新本实验易与其他力学知识综合考查,出题方式灵活,往往在教材实验基础上创设新情境。实验的器材和数据处理及实验方案都有可能进行改进和创新。1.实验器材及装置的改进
2.数据测量的改进由光电门测速度v= ;速度传感器直接显示速度大小 用纸带测速度。3.实验方案的改进利用光电门和气垫导轨探究功和动能的关系。
例3某学习小组利用如图所示的装置探究动能定理。
(1)将气垫导轨调至水平,安装好实验器材,从图中读出两光电门中心之间的距离x=　　　　　 cm; (2)测量挡光条的宽度d,记录挡光条通过光电门1和2所用的时间Δt1和Δt2,并从拉力传感器中读出滑块受到的拉力F,为了完成实验,还需要直接测量的一个物理量是　　　　　; (3)该实验是否需要满足砝码盘和砝码的总质量远小于滑块、挡光条和拉力传感器的总质量?　　　(选填“是”或“否”)。 
例4某兴趣小组准备探究合外力做功和物体速度变化的关系,实验前组员们提出了以下几种猜想:①W∝v;②W∝v2;③W∝ 。为了验证猜想,他们设计了如图甲所示的实验装置。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,小刚同学提出“不需要测出物体的质量,只要测出物体初始位置到速度传感器的距离l和读出速度传感器的读数v就行了”,大家经过讨论采纳了小刚的建议。
(1)请你说明小刚建议的理由:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　; (2)让物体分别从不同高度无初速度释放,测出物体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Q点的速度v1、v2、v3、v4、…,并绘制了如图乙所示的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　　　; 
(3)实验中,木板与物体间摩擦力　　　　(选填“会”或“不会”)影响探究的结果。 
特别提醒解决创新探究实验题的关键是能将学过的实验知识和方法在不同的情境下迁移应用,如本实验可以把定性分析改为定量计算,利用气垫导轨可减小摩擦,利用光电门替代打点计时器。不管如何创新,实验的结论是不会改变的。
1.(2017·福建厦门模拟)探究做功和物体速度变化的关系的实验装置如图甲所示,小车在1条橡皮筋作用下弹出,小车获得的速度为v,由打点计时器所打点的纸带测出,橡皮筋对小车做的功记为W。实验时,将木板左端调整到适当高度,每次橡皮筋都拉伸到同一位置释放。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……多次实验时,请回答下列问题:
(1)除了图甲中已给出的器材外,还需要的器材:交流电源、　　　　　。 (2)图乙是小车在某次运动过程中打点计时器在纸带上打出的一系列的点,打点的时间间隔为0.02 s,则小车离开橡皮筋时的速度为　　　　 m/s(保留两位有效数字)。 (3)(多选)将几次实验中橡皮筋对小车所做的功W和小车离开橡皮筋时的速度v进行数据处理,以W为纵坐标、v或v2为横坐标作图,可能符合实际情况的是　　　　。 
答案 (1)刻度尺　(2)0.36　(3)AD
2.测量滑块在运动过程中所受的合外力是探究动能定理实验要解决的一个重要问题。为此某同学设计了如下实验方案:
A.实验装置如图甲所示,滑块后面夹纸带,纸带穿过打点计时器。一端系在滑块上的细绳通过转轴光滑的轻质滑轮挂上钩码,用垫块将长木板固定有定滑轮的一端垫起。调整长木板的倾角,打开打点计时器后轻推滑块,滑块沿长木板向下做匀速直线运动;B.保持长木板的倾角不变,取下细绳和钩码,打开打点计时器,让滑块只拖着纸带沿长木板向下做匀加速直线运动。请回答下列问题:①滑块做匀速直线运动时,打点计时器在纸带上所打出点的分布应该是　　　　。 ②滑块在匀加速下滑过程中所受的合外力大小　　　　(选填“大小”“等于”或“小于”)钩码的重力大小。 
③当滑块沿长木板向下做匀加速直线运动时,某同学打出的一条纸带如图乙所示,用刻度尺测得计数点1,2,3,4到计数起点0的距离分别为3.15 cm、12.40 cm、27.70 cm、49.05 cm,由此可得物体的加速度为　　　　 m/s2。(计算结果保留三位有效数字) ④若滑块质量为m0、钩码质量为m,当打点计时器打下1、3点时滑块的速度分别为v1和v2,1、3两点之间距离为s,重力加速度为g,探究结果的表达式是　　　　　　　　　　。(用相应的符号表示) 
3.(2017·宁夏银川一模)某探究学习小组的同学欲以如图所示的装置中的滑块为对象探究动能定理,他们还找到了打点计时器所用的学生电源、天平、刻度尺、导线、复写纸、纸带、细沙。当滑块连接上纸带,用细线通过滑轮挂上空的小沙桶时,释放小桶,滑块处于静止状态。若你是小组中的一位成员,要完成该项实验,则:
(1)实验时为了保证滑块受到的合力与沙和沙桶的总重力大小基本相等,则沙和沙桶的总质量应满足的实验条件是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　,实验时首先要做的步骤是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　。 
(2)在(1)的基础上,某同学用天平称量滑块的质量m0。往沙桶中装入适量的细沙,用天平称出此时沙和沙桶的总质量m。让沙桶带动滑块加速运动,用打点计时器记录其运动情况,在打点计时器打出的纸带上取两点,测出这两点的间距l和这两点的速度大小v1与v2(v1(3)如果以合力对滑块做的功W为纵轴,以　　　　(选填“v”或“v2”)为横轴,图线就是一条直线(如图),其斜率为　　　　(用题中的字母表示)。 (4)如果实验时所用滑块质量为m0,沙及沙桶总质量为m,让沙桶带动滑块在水平气垫导轨上加速运动,也可以用来探究滑块与沙及沙桶组成的系统机械能是否守恒。用打点计时器记录其运动情况,在打点计时器打出的纸带上取两点,测出这两点的间距l和这两点的速度大小v1与v2(v14.为了探究动能改变与合外力做功的关系,某同学设计了如下实验方案:第一步:把带有定滑轮的木板有滑轮的一端垫起,把质量为m0的滑块通过细绳与质量为m的带夹重锤跨过定滑轮相连,重锤后连一穿过打点计时器的纸带,调整木板倾角,直到轻推滑块后,滑块沿木板向下匀速运动,如图甲所示。第二步:保持长木板的倾角不变,将打点计时器安装在长木板靠近滑轮处,取下细绳和重锤,将滑块与纸带相连,使纸带穿过打点计时器,然后接通电源,释放滑块,使之从静止开始向下加速运动,打出纸带,如图乙所示。打出的纸带如图丙所示。
请回答下列问题:(1)已知O、A、B、C、D、E、F相邻计数点间的时间间隔为Δt,根据纸带求滑块运动的速度,打点计时器打B点时滑块运动的速度vB=　　　　　。 (2)已知重锤质量为m,当地的重力加速度为g,要测出某一过程合外力对滑块做的功还必须测出这一过程滑块　　　　　　　(写出物理名称及符号,只写一个物理量),合外力对滑块做功的表达式W合=　　　　　　。 (3)算出滑块运动OA、OB、OC、OD、OE段合外力对滑块所做的功W以及在A、B、C、D、E各点的速度v,以v2为纵轴、W为横轴建立直角坐标系,描点作出v2-W图象,可知该图象是一条　　　　　　　　　　,根据图象还可求得　　　　　　　　　　　　。