1、实验五 探究动能定理一、实验目的1探究外力对物体做功与物体速度的关系2通过实验数据分析，总结出做功与物体速度平方的正比关系二、实验原理1不是直接测量对小车做功，而是通过改变橡皮筋条数确定对小车做功W、2W、3W.2由于橡皮筋做功而使小车获得的速度可以由纸带和打点计时器测出，也可以用其他方法测出这样，进行若干次测量，就得到若干组功和速度的数据3以橡皮筋对小车做的功为纵坐标，小车获得的速度为横坐标，作出Wv曲线，分析这条曲线，可以得知橡皮筋对小车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)、100 g200 g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
2、及导线(使用电火花计时器不用学生电源)、56条等长的橡皮筋、刻度尺四、实验步骤1按如图所示将实验仪器安装好同时平衡摩擦力2先用一条橡皮筋做实验，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W1，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W2，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在纸带上测量 A1、A2
3、间的距离 x，则小车速度的表达式为 vxT(T 为打点计时器打点的时间间隔)2实验数据记录橡皮筋条数位移x/m时间t/s速度v/(ms1)速度平方v2/(m2s2)3.实验数据处理及分析：在坐标纸上(下图)画出Wv和Wv2图线(“W”以一根橡皮筋做的功为单位)4实验结论：从图象可知功与物体速度变化的关系为Wv2.六、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橡皮筋应选规格一样的力对小车做
4、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七、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，测量不准带来误差八、实验改进本实验中物体运动的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；实验情景也可加以改进，如研究物体以不同的初速度沿粗糙水平面滑动的距离，得出物体的初动能大小与克服摩擦力做功的情况，这时必须保证物体与水平面上各处的动摩擦因数相同 对实验原理的理解例1(2012年青岛模拟)某探究学习小组的同
5、学欲验证动能定理，他们在实验室组装了一套如图所示的装置，另外他们还找到了打点计时器所用的学生电源、导线、复写纸、纸带、小木块、细沙当滑块连接上纸带，用细线通过滑轮挂上空的沙桶时，释放沙桶，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(1)你认为还需要的实验器材有_.(2)实验时为了保证滑块受到的合力与沙桶的总重力大小基本相等，细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_.(3)在(2)的基础上，某同学用天平称量滑块的质量为M.往沙桶中装入适量的细沙，用天平称出此时细沙和沙桶的总质量为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
6、点，测出这两点的间距L和这两点的速度大小v1与v2(v1v2)则本实验最终要验证的数学表达式为_.(用题中的字母表示实验中测量得到的物理量)解析(1)为了测出滑块的质量和沙桶(及细沙)的总质量需要选用天平测量为了对纸带进行数据处理需要选用刻度尺(2)由于沙桶(及细沙)的重力等于滑块受到的合外力的条件是沙桶(及细沙)的质量远小于滑块的质量，且不计摩擦阻力(利用平衡摩擦力的方法)所以要保证细沙和沙桶的总质量远小于滑块的质量实验时首先要做的步骤是平衡摩擦力(3)由动能定理可得 mgL12Mv2212Mv12.答案(1)天平、刻度尺(2)细沙和沙桶的总质量远小于滑块的质量 平衡摩擦力(3)mgL12M
7、v2212Mv12 实验数据的处理例2 某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“动能定理”如图所示，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50.0 cm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(1)实验主要步骤如下：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时的速度记录细线拉力及小车通过A、B时的速度在小车中增加砝码或_，重复的
8、操作(2)下列表格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，|vv|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E，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E3_，W3_.(结果保留三位有效数字)数据记录表(3)根据表格，请在下图中的方格纸上作出EW图线解析(1)在实验过程中拉力对小车和拉力传感器做功使小车和拉力传感器的动能增加，所以需要测量小车和拉力传感器的总质量；通过控制变量法只改变小车的质量或只改变拉力大小得出不同的数据；(2)通过拉力传感器的示数和 A、B 间距用 WFL 可计算拉力做的功；(3)利用图象法处理数据，由动能定理 W12mv2
9、212mv21，可知 W 与E 成正比，作图可用描点法，图线如图所示答案(1)小车 释放小车 减少砝码(2)0.600 J 0.610 J(3)见解析图例3 物体沿斜面下滑时动能可能发生变化某实验小组为了探究滑块由静止开始沿斜面匀加速下滑过程中动能变化与哪些因素有关，利用如图所示的斜面和滑块A做实验，进行了相应的探究(1)请说出实验中可能影响滑块A动能变化的两个因素：_.(2)请设计一实验方案，能直观地反映滑块A滑至斜面底端N处动能大小的不同；例如，方案甲：在斜面底端N处水平放置一平板，使连接处足够平滑，然后在N处放另一质量较小的滑块B，滑块A滑至N处的动能越大，则滑块B被碰后在平面上滑行得越
10、远你设计的方案乙：_(3)该实验小组利用上述“方案甲”进行实验，并用速度传感器和刻度尺分别测得滑块B在N 处被碰后的初速度vN的大小与滑行距离x大小对应关系的四组数据，见下表请在图中用图象法求出滑块B与水平面之间的动摩擦因数.B滑行距离x/mB在N点速度vN/(ms1)0.180.610.320.800.501.010.711.20解析(1)影响滑块A在下滑过程中动能变化的两个因素例如：斜面的粗糙程度(或动摩擦因数；或摩擦力)、斜面的倾角大小(或高度)(2)观察滑块A在与斜面平滑连接的水平面上滑行，位移越大，动能越大或滑块A平抛落地水平位移越大，动能越大或沿平滑连接的斜面、弧形面上滑高度越高，说明动能越大或观察滑块A从斜面上不同位置滑到N位置时，与会发生明显形变的障碍物(如海绵、沙子、弹簧、橡皮泥、弹性网等)作用，通过观察，它们的形变越大，动能越大(3)换算出v2.能画出下图或横坐标用v2，纵坐标用x，作图正确0.1(0.01)由动能定理，12mv2mgx，v22gx故以 v2 为纵坐标，x 为横坐标，得到过原点的直线，再取特殊点，x0.5 m，v21.0(m/s)2 v22gx12100.50.1.答案 见解析