1、实验五 探究动能定理 教材回扣夯实基础,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，测量不准带来误差注意事项1平衡摩擦力：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选点测速：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状态的3橡皮筋的选择：橡皮筋规格相同时，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透析考点
2、多维突破考点一 教材原型实验考向 实验原理与操作1 某学习小组做探究“合力的功和物体速度变化的关系”的实验，下图中小车是在 1 条橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行，这时橡皮筋对小车做的功记为 W.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，使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由打点计时器所打的纸带测出(1)除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、_(填测量工具)和_(选填“交流”或“直流”)电源(2)实验中，小车会受到摩擦阻力的作用，可以使木板适当倾斜来平衡掉摩擦阻力，则下面操作正确的是_A放开小车，能够自由下滑即可B放开小车，能够
3、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，能够匀速下滑即可刻度尺交流D(3)在正确操作情况下，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，应选用下图中纸带的_部分进行测量GK解析：(1)为测量小车获得的速度，必须用刻度尺来测量纸带上点和点之间的距离；打点计时器必须使用交流电源(2)平衡摩擦力时，也要平衡掉纸带与限位孔之间的摩擦力根据平衡状态的特点，小车做匀速运动时即平衡掉了摩擦力(3)应该选用纸带上小车做匀速运动的部分进行测量，此时小车的速度最大，即 GK 部分考向 数据处理2 探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系，实验装置如图 1 所示实
4、验过程中有平衡摩擦力的步骤，并且设法让橡皮筋对小车做的功以整数倍增大，即分别为 W0、2W0、3W0、4W0(1)实验中首先通过调整木板倾斜程度平衡摩擦力，目的是_(填写字母代号)A为了释放小车后小车能做匀加速运动B为了增大橡皮筋对小车的弹力C为了使橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功D为了使小车获得较大的动能C(2)图 2 是在正确操作情况下打出的一条纸带，从中截取了测量物体最大速度所用的一部分，已知相邻两打点时间间隔为0.02 s，则小车获得的最大速度 vm_ m/s(保留 3 位有效数字)1.22(3)几名同学在实验中分别得到了若干组橡皮筋对小车做的功 W 与小车获得的最大速度 vm
5、 的数据，并利用数据绘出了下列给出的四个图象，你认为其中正确的是_D解析：(1)实验目的是探究合外力做功与物体速度的关系，平衡摩擦力后，橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功(2)由图可知，小车先做加速度变化的加速运动，后做匀速运动当小车做匀速运动时，小车获得的速度最大，即 vm2.441020.02m/s1.22 m/s.(3)由 Wv2m，知 D 正确练 1 2020潍坊模拟用图 1 所示装置做“探究功与速度变化的关系”实验(1)若将木板水平放置，小车在橡皮筋作用下加速，当小车刚好达到最大速度时，下列说法正确的是_(填写选项前的字母标号)A橡皮筋处于原长状态B橡皮筋仍处于伸长状态C小车恰
6、好过两个铁钉的连线D小车已过两个铁钉的连线B(2)若将木板带有打点计时器的一端适当垫高，利用小车沿斜面的重力分量消除掉阻力的影响，再进行正确的实验操作，获得实验所需的纸带在图 2 两条纸带中，最符合实验事实的是_(填写纸带下方的字母标号)B(3)若将一根橡皮筋对小车做的功记为 W0，两条、三条同样的橡皮筋并在一起拉伸同样的长度对小车做的功记为 2W0、3W0，计算出小车对应的最大速度 v，取 v2v20，横坐标以 W0 为单位，绘出 v2-W 图线，理论上是过原点的一条直线但某次实验得到的图线却不过原点，如图 3 所示，造成这一偏差的原因是：在垫高木板带有打点计时器一端时，木板的倾斜角度_(填
7、“偏大”或“偏小”)偏大解析：(1)木板水平，没有平衡摩擦力，小车受到的合力等于橡皮筋的拉力与摩擦力的合力，当小车所受合力为零时速度最大，此时橡皮筋仍然有拉力，橡皮筋仍然是伸长的，此时小车没有到达两铁钉连线处，故 A、C、D 三项错误，B 项正确；(2)平衡摩擦力，释放小车后，小车先做加速度减小的加速运动，后做匀速直线运动，由图示纸带可知，纸带 A 先做匀加速直线运动后做匀速直线运动，纸带 B 先做加速度减小的加速运动后做匀速直线运动，与事实相符的是纸带 B；(3)由动能定理可知，合外力做功等于物体动能的变化量，由图示图象可知，图象在纵轴上有截距，这说明小车动能的增量大于橡皮筋拉力做功，这可能
8、是由于平衡摩擦力时木板倾角过大小车受到的合力大于橡皮筋拉力造成的考点二 实验拓展与创新考向 实验装置的创新利用重物牵引小车3 2019江苏卷，10某兴趣小组用如图 1 所示的装置验证动能定理(1)有两种工作频率均为 50 Hz 的打点计时器供实验选用：A电磁打点计时器B电火花打点计时器为使纸带在运动时受到的阻力较小，应选择_(选填“A”或“B”)B(2)保持长木板水平，将纸带固定在小车后端，纸带穿过打点计时器的限位孔实验中，为消除摩擦力的影响，在砝码盘中慢慢加入沙子，直到小车开始运动同学甲认为此时摩擦力的影响已得到消除同学乙认为还应从盘中取出适量沙子，直至轻推小车观察到小车做匀速运动看法正确的
9、同学是_(选填“甲”或“乙”)(3)消除摩擦力的影响后，在砝码盘中加入砝码接通打点计时器电源，松开小车，小车运动纸带被打出一系列点，其中的一段如图 2 所示图中纸带按实际尺寸画出，纸带上 A 点的速度 vA_m/s.乙0.31(0.300.33 都算对)(4)测出小车的质量为 M，再测出纸带上起点到 A 点的距离为 L.小车动能的变化量可用 Ek12Mv2A算出砝码盘中砝码的质量为 m，重力加速度为 g.实验中，小车的质量应_(选填“远大于”“远小于”或“接近”)砝码、砝码盘和沙子的总质量，小车所受合力做的功可用 WmgL 算出多次测量，若 W与 Ek均基本相等则验证了动能定理远大于解析：本题
10、考查验证动能定理的实验(1)电火花打点计时器对纸带的阻力小于电磁打点计时器对纸带的阻力，实验时误差小，故选 B.(2)在砝码盘中慢慢加入沙子直至小车开始运动，小车从静止开始做加速运动，此时砝码盘和沙子的总重力大于小车与长木板间的滑动摩擦力，平衡摩擦力过度；轻推小车，小车做匀速运动，根据平衡条件可知，此时砝码盘和沙子的总重力等于小车与长木板间的滑动摩擦力大小，消除了摩擦力的影响，看法正确的是同学乙.(3)在匀变速直线运动中，中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度用刻度尺量出 A 左侧第一个点与 A 右侧第一个点之间的距离 l1.24 cm，再除以 0.02 s20.04 s，可得 vA0.3
11、1 m/s.(4)本实验中砝码的重力应该是小车所受的合外力只有当小车的质量远大于砝码盘、砝码以及沙子的总质量时，才可以将砝码的重力当成小车受到的合外力考向 实验装置的创新利用光电门、传感器4 2020河北衡水中学模拟某实验小组用图甲所示实验装置探究合力做功与动能变化的关系铁架台竖直固定放置在水平桌面上，将长木板倾斜放置，一端 P 固定在水平桌面边缘处，另一端放置在铁架台的铁杆上，忽略长木板厚度，P 处放置一光电门计时器实验步骤如下：用游标卡尺测出滑块的挡光片宽度 l，用天平测出含挡光片的滑块的质量 m；以长木板放置在水平桌面上的一端为轴，调节长木板在铁架台上的放置位置，使滑块恰好沿长木板向下做
12、匀速运动在铁架台竖直杆上记下此位置 Q1，用刻度尺测出 Q1 到水平桌面的高度 H；保持长木板 P 端与桌面接触位置不变，长木板另一端放置在铁架台竖直杆 Q2 位置处用刻度尺量出 Q1、Q2 的距离 h1，将滑块从 Q2 位置由静止释放，由光电门计时器读出滑块的挡光时间 t1；保持长木板 P 端与桌面接触位置不变，重新调节长木板另一端在铁架台上的放置位置，重复步骤数次(1)滑块沿长木板由 Q2 运动到 P 的过程中，用测量的物理量表示下列物理量(已知重力加速度为 g)：滑块动能的变化量 Ek_，滑块克服摩擦力做的功 WFf_，合力对滑块做的功 W 合_.(2)某学生以长木板在铁架台竖直杆上的放
13、置位置到 Q1 的距离 h 为横坐标，以滑块通过光电门的挡光时间的平方的倒数1t2为纵坐标，根据测量数据画出如图乙所示图线，若图线过原点，且图线斜率 k_，则能证明合外力做的功等于滑块动能增量ml22t21mgHmgh12gl2解析：(1)由于挡光片宽度很小，可近似认为滑块通过光电门的速度 v lt1，滑块(含挡光片)动能的变化量 Ek12mv20ml22t21.滑块从 Q1释放匀速下滑时，设长木板的倾角为，Q1P 长度为 L，P 到铁架台竖直杆的距离为 x，由动能定理有 mgHmgLcos 0，且 Lcos x，得 mgxmgH；滑块从 Q2 释放时，设长木板的倾角为，Q2P 长度为L，则滑
14、块克服摩擦力做的功为 WFfmgLcos，且 Lcos x，故 WFfmgH.合力做的功 W 合mg(Hh1)WFfmgh1.(2)由动能定理有 W 合Ek，即 mghml22t2，整理得1t22gl2 h，故图线斜率 k2gl2.5 2020长德模拟某学习小组用图甲所示的实验装置探究“动能定理”他们在气垫导轨上安装了一个光电门 B，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从 A 处由静止释放(1)某同学用游标卡尺测量遮光条的宽度 d，如图乙所示，则d_mm.(2)下列实验要求中不必要的一项是_(请填写选项前对应的字母)A应使滑块质量
15、远大于钩码和力传感器的总质量B应使 A 位置与光电门间的距离适当大些C应将气垫导轨调至水平D应使细线与气垫导轨平行2.30A(3)实验时保持滑块的质量 M 和 A、B 间的距离 L 不变，改变钩码质量 m，测出对应的力传感器的示数 F 和遮光条通过光电门的时间 t，通过描点作出线性图象，研究滑块动能变化与合外力对它所做功的关系，处理数据时应作出的图象是_(请填写选项前对应的字母)A作出“tF 图象”B作出“t2F 图象”C作出“t21F图象”D作出“1tF2 图象”C解析：(1)由读数规则可知读数为 2 mm60.05 mm2.30mm.(2)因为拉力传感器直接测出拉力，故不需要使滑块质量远大
16、于钩码和力传感器的总质量，A 错误；应使 A 位置与光电门间的距离适当大些以便减小误差，故 B 正确；应将气垫导轨调至水平，使摩擦力为零，故 C 正确；应使细线与气垫导轨平行，保证合外力为细绳拉力，故 D 正确所以不必要的一项是 A.(3)由实验原理 FL12mv212mdt212md2t2，可知应作出“t21F图象”，故 C 正确练 2 某实验小组利用图(a)所示实验装置及数字化信息系统探究“外力做功与小车动能变化的关系”实验时将小车拉到水平轨道的 O 位置由静止释放，在小车从 O 位置运动到 A 位置过程中，经计算机处理得到了弹簧弹力与小车位移的关系图线如图(b)所示，还得到了小车在 A
17、位置的速度大小 vA；另外用电子秤测得小车(含位移传感器发射器)的总质量 m.回答下列问题：(1)由 图(b)可 知：图(a)中 A 位 置 到 力 传 感 器 的 距 离_(填“小于”“等于”或“大于”)弹簧原长；(2)在小车从 O 位置运动到 A 位置过程中弹簧对小车所做的功 W_，小车的动能改变量 Ek_；(表达式用题中已知物理量的符号表示)大于12(F0FA)sA 12mv2A(3)甲同学在分析实验数据后，还补充了如下实验：将弹簧从小车上卸下，给小车一初速度，让小车从轨道右端向左端运动，利用位移传感器和计算机得到小车的速度随时间变化的图线如图(c)所示，则他要探究关系式_是否成立；(关
18、系式用题中已知物理量的符号表示)(4)乙同学反思整个实验过程提出了自己的方案：在实验开始时，小车不连接弹簧，将图(a)中轨道_(填“左”或“右”)端垫高至合适位置，让小车在轨道上获得一初速度开始运动，若计算机监测到的小车位移时间图线是_，即表明轨道倾角调整到位，再实施题中所述实验步骤，而无需做甲同学补充的实验12(F0FA)sAmv0tmsA12mv2A右直线练 3 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M 的滑块通过细绳与质量为 m 的带夹子的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
19、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 t，O 点为打点计时器打下的第一点，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_(写出物理量名称及符号，只写一个物理量)，合外力对滑块做功的表达式 W 合_.x3x12t下滑的位移 x mgx(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 v2W 图象，可知该图象是一条_，根据图象还可求得_解析：(1)由打出的纸带可知 B 点的速度为 vBx3x12t.(2)由功的定义可知还需要知道滑块下滑的位移 x，由动能定理可知 W 合Ek，即 mgxEk.(3)v2-W 图象应该为一条过原点的直线，根据 Ek12Mv2可求得 M 的值