1、第五章 机械能及其守恒定律实验五 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变化的关系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、实验器材小车(前面带小钩)、100200 g砝码、长木板及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(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.突破考点02突破考点01突破考点03高考真题 突破考点01 实验原理与操作【典例1】(2013福建高考)在“探究恒力做功与动能改变的关系”实验中(装置如图甲)：(1)下列说法哪一项是正确的()A平衡摩擦力时必须将钩码通过细线挂在小车上B为减小系统误差，应使钩码质
2、量远大于小车质量谨记 实验原理的理解1为使细线的拉力作为小车的合外力，本实验必须平衡小车的摩擦力.2平衡摩擦力时不挂钩码，轻推小车，只要纸带上点间距相等，小车做匀速运动即可完成.3若要钩码的重力作为细线的拉力，则应满足钩码质量远小于小车质量.C实验时，应使小车靠近打点计时器由静止释放 谨记 实验操作的注意事项由静止释放小车，小车的动能增量等于小车的末动能.(2)图乙是实验中获得的一条纸带的一部分，选取O、A、B、C为计数点，已知打点计时器使用的交流电频率为50 Hz，则打B点时小车的瞬时速度大小为_m/s(保留三位有效数字)【答案】(1)C(2)0.653 谨记 利用纸带确定物体的瞬时速度1利
3、用 v x1x22T2注意 x 和 v 的单位及有效数字要求.确定小车的瞬时速度.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(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所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_(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，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
4、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C小车在两个铁钉的连线处D小车已过两个铁钉的连线(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)解析：(1)打点计时器使用的是交流电源(2)平衡摩擦力时，应将纸带穿过打点计时器，放开拖着纸带的小车，小车能够匀速下滑即可，D正确(3)水平放置木板，放开小车后，
5、小车做加速运动，当橡皮筋的拉力大小等于摩擦力大小时，小车的速度最大，此时橡皮筋仍处于伸长状态，小车没过两个铁钉的连线，B正确，A、C、D错误(4)从纸带上看，纸带的GJ段打点比较均匀，所以应选用纸带的GJ段进行测量答案：(1)交流(2)D(3)B(4)GJ2某实验小组采用如图所示的装置来探究“功与速度变化的关系”实验中，小车碰到制动装置时，钩码尚未到达地面实验的部分步骤如下：a将一块一端带有定滑轮的长木板固定在桌面上，在长木板的另一端固定一打点计时器；b把纸带穿过打点计时器的限位孔，连在小车后端，用细绳跨过定滑轮连接小车和钩码；c把小车拉到靠近打点计器的位置，接通电源，从静止开始释放小车，得到
6、一条纸带；d关闭电源，通过分析小车位移与速度的变化关系(不需要知道合外力大小)来研究合外力对小车所做的功与速度变化的关系(1)下列关于实验过程的描述正确的是_A实验中应控制钩码的质量，使其远小于小车的总质量B实验前应调节好定滑轮的高度，使拉小车的细绳和长木板平行C实验前应把长木板右端适当垫高，以平衡摩擦力D实验时应先让小车运动，等小车运动一段时间后再接通打点计时器的电源(2)实验中，该小组同学画出小车位移x与小车速度v的关系图象如图所示，根据该图形状，某同学对W与v的关系作出了猜想，肯定不正确的是_AWv BWv2CW1vDWv3解析：(1)解决该实验题首先要明白该实验的实验原理该实验是利用小
7、车所受到的合外力做的功等于小车动能的变化量的关系进行实验的，即Fx 12 mv2，由此可以看出，实验中钩码的质量不会影响实验的结果，选项A错误；在实验中，拉小车的细绳应与长木板平行，以保证拉力的方向与位移的方向在一条直线上，这样可以有效地减小误差，选项B正确；该实验不需要平衡摩擦力，因为无论钩码的质量多大，细绳对小车的拉力与摩擦力的合力在每一次实验中都为恒力，均可满足Fx 12 mv2的要求，故选项C错误；应先接通电源，等打点计时器工作稳定后再释放小车，选项D错误(2)如果Wv，xv图象应该是一条过原点的直线；如果W 1v，xv图象应该是双曲线的一支，故肯定不正确的是选项A、C.答案：(1)B
8、(2)AC 突破考点02 数据处理与误差分析【典例2】如图所示，是某研究性学习小组做探究“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，橡皮筋对小车做的功记为W.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次实验时，每次橡皮筋都拉伸到同一位置释放小车每次实验中获得的速度由打点计时器所打点的纸带测出(1)除了图中的已给出的实验器材外，还需要的器材有_；谨记 实验器材的选用只要应用电磁打点计时器打纸带的实验，与打点计时器相关的器材，如：学生电源、导线、复写纸、纸带必须有，处理纸带时，为测量计时点间距，还应有刻度尺.(2)平衡摩擦后，每
9、次实验得到的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；(3)下面是本实验的数据记录表，请将第2次、第3次实验中橡皮筋做的功填写在对应的位置；谨记 数据处理的方法1纸带上点间距相等部分对应橡皮筋松弛后小车获得的末速度.2因完全相同的橡皮筋，拉伸相同的长度，故橡皮筋对小车做的总功与橡皮筋条数成正比.(4)从理论上讲，橡皮筋做的功Wn和物体速度vn变化的关系应是Wn_，请你根据表中测定的数据在如图所示的坐标系中作出相应的图象验证理论的正确性谨记 利用图象探究物理量间的关系1利用图象探究物理量间的关系时，首先确定横、纵坐标轴对应的物理量及单位.2根据表中数据确定横、
10、纵坐标轴的标度.3认真描写各坐标点.,4连线时要注意连线原则，偏离直线较远的点要舍去.【答案】(1)刻度尺(2)点距均匀(3)2W 3W 4W 5W(4)v 2n 如图所示 3为了探究力对物体做功与物体速度变化的关系，现提供如图所示的器材，让小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿木板滑行，请思考并回答下列问题(打点计时器交流电频率为50 Hz)：(1)为了消除摩擦力的影响应采取什么措施？_(2)当我们分别用同样的橡皮筋1条、2条、3条并起来进行第1次、第2次、第3次实验时，每次实验中橡皮筋拉伸的长度都应保持一致，我们把第1次实验时橡皮筋对小车做的功记为W.(3)由于橡皮筋对小车做功而使小车获得的速度可
11、以由打点计时器和纸带测出，如下图所示是其中四次实验打出的部分纸带(4)试根据(2)、(3)中的信息，填写下表.次数1 2 3 4橡皮筋对小车做的功W小车速度v(m/s)v2(m2/s2)从表中数据可得出结论：_.解析：该题综合考查了本实验的注意事项、数据处理及结论，对考生的能力要求较高(1)将木板固定有打点计时器的一端垫起适当的高度，使小车缓慢匀速下滑(4)由匀速运动的速度公式v xt，其中x从图上读出分别为2.00 cm、2.83 cm、3.46 cm、4.00 cm.tT1f0.02 s，即可求出小车的速度.次数1234橡皮筋对小车做的功2W3W4W小车速度v(m/s)1.01.4151.
12、732.0v2(m2/s2)1.02.03.04.0由表中数据可得出结论：橡皮筋对小车做的功与小车速度的平方成正比答案：见解析4“探究功与速度变化的关系”的实验装置如下图所示，当小车在一条橡皮筋作用下弹出时，橡皮筋对小车做的功记为W；当用2条、3条、4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2W、3W、4W每次实验中小车获得的最大速度可由打点计时器所打出的纸带测出(1)关于该实验，下列说法正确的是_A打点计时器可以用干电池供电B实验仪器安装时，可以不平衡摩擦力C每次实验小车必须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
13、出Wvm、Wv 2m、Wv 3m、W2vm、W3vm的图象，得出合力做功与物体速度变化的关系(2)如下图给出了某次实验打出的纸带，从中截取了测量小车最大速度所用的一段纸带，测得A、B、C、D、E相邻两点间的距离分别为AB1.48 cm，BC1.60 cm，CD1.62 cm，DE1.62 cm；已知相邻两点打点时间间隔为0.02 s，则小车获得的最大速度vm_m/s.(结果保留2位有效数字)解析：(1)打点计时器必须用交流电，A项错误；实验仪器安装时，必须平衡摩擦力，B项错误；每次实验小车必须从同一位置由静止弹出，C项正确；根据所得数据分别作出橡皮筋所做的功W与小车获得的最大速度或小车获得的最
14、大速度的平方、立方等图象，找出合力做的功与物体速度变化的关系，D项正确(2)小车获得的最大速度vxt1.621020.02 m/s0.81 m/s.答案：(1)CD(2)0.81 突破考点03 实验的改进与创新【典例3】为了“探究外力做功与物体动能变化的关系”，查资料得知，弹簧的弹性势能Ep 12 kx2，其中k是弹簧的劲度系数，x是弹簧长度的变化量某同学就设想用压缩的弹簧推静止的小球(质量为m)运动来探究这一问题为了研究方便，把小球放在水平桌面上的实验，让小球在弹力作用下运动，即只有弹簧弹力做功该同学设计实验如下：谨记 实验原理的创新1弹簧弹力对物体做的功为合外力的功.2物体的动能增量由平抛
15、运动规律计算得出.(1)首先进行如图甲所示的实验：将轻质弹簧竖直挂起来，在弹簧的另一端挂上小球，静止时测得弹簧的伸长量为d.在此步骤中，目的是要确定物理量_，用m、d、g表示为_ 谨记 实验目的的创新由物体的平衡条件求解弹簧的劲度系数.(2)接着进行如图乙所示的实验：将这根弹簧水平放在桌面上，一端固定，另一端被小球压缩，测得压缩量为x，释放弹簧后，小球被推出去，从高为h的水平桌面上抛出，小球在空中运动的水平距离为L.小球的初动能Ek1_.小球离开桌面的动能Ek2_.弹簧对小球做的功W_(用m、x、d、g表示)对比W和Ek2Ek1就可以得出“外力做功与物体动能变化的关系”谨记 本实验还可以从以下
16、两个方面创新1利用速度传感器测量小球运动的速度.2利用拉力传感器测出绳对小球的拉力作为小球的合外力.3利用光电门测量物体运动的速度.【解析】在图甲所示的实验中，目的是确定弹簧的劲度系数k，由平衡条件得：mgkd，即kmgd.在图乙所示的实验中，小球的初动能Ek10.又根据小球做平抛运动得：h12gt2，Lvt所以Ek212mv212m(L g/2h)2mgL24h弹簧对小球做的功等于弹性势能的减少，所以W12kx2mgx22d.【答案】(1)弹簧的劲度系数k mgd (2)0 mgL24h mgx22d5某学习小组在“探究功与速度变化关系”的实验中采用了如下图所示的实验装置(1)将气垫导轨接通
17、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)如下图所示，游标卡尺测得遮光条的宽度d_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t，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Wv2图象应是_.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)d5 mm0.05 mm105.50 mm0.550 cm滑
18、块匀速运动的速度vdt.(3)由动能定理可知，W 12 mv2，故画出的Wv2图象应是过坐标原点的一条倾斜直线答案：(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运动(其他方法正确亦可)(2)0.550 dt(3)过坐标原点的一条倾斜直线6物体在空中下落的过程中，重力做正功，物体的动能越来越大，为了探究重力做功和物体动能变化的定量关系，我们提供了如图所示的实验装置(1)某同学根据所学的知识结合上图设计了一个本实验情境的命题：如图所示，测量质量为m的小球在重力mg作用下从开始端自由下落至光电门处发生的_，通过光电门时的_，探究重力做的功_与小球动能变
19、化量_的定量关系请在空格处填写物理量的名称和对应符号，在空格处填写数学表达式(2)某同学根据上述命题进行如下操作并测出如下数据：(取g10 m/s2)用天平测出小球的质量为0.50 kg；用游标卡尺测出小球的直径为10.00 mm.用刻度尺测出电磁铁下端到光电门的距离为80.80 cm；电磁铁先通电，让小球吸在开始端；电磁铁断电时，小球自由下落；在小球经过光电门时，计时装置记下小球经过光电门所用时间为2.50103 s，由此可算出小球经过光电门时的速度为_m/s；计算得出重力做的功为_J，小球动能变化量为_J(结果保留三位有效数字)(3)试根据(2)对本实验得出结论：_.解析：(1)首先明确实验原理：重力做的功等于物体增加的动能所以测量小球下落的位移x和下落位移x时所对应的瞬时速度v，比较重力做的功Wmgx和动能的增加量Ek 12 mv2的关系即可验证命题的正确性(2)小球经过光电门的速度可以用小球通过光电门这段很短时间内的平均速度来表示，vdt10.001032.50103 m/s4.00 m/s；Wmgx4.04 J，Ek12mv24.00 J.答案：(1)位移x 瞬时速度v mgx 12mv2(2)4.00 4.04 4.00(3)在误差允许范围内，重力做的功与物体动能的变化量相等温示提馨请 做：高考真题（点击进入）