1、实验五探究动能定理1实验目的探究功与物体速度变化的关系2实验原理(如图1所示)图1(1)一根橡皮筋作用在小车上移动距离s做功为W.(2)两根橡皮筋作用在小车上移动距离s做功应为2W.(3)三根橡皮筋作用在小车上移动距离s做功应为3W.(4)利用打点计时器求出小车离开橡皮筋时的速度，列表、作图，由图象可以确定功与速度变化的关系3实验器材橡皮筋、小车、木板、打点计时器、纸带、铁钉、刻度尺等4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：用一条橡皮筋拉小车做功W.用两条橡皮筋拉小车做功2W.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(4)分别用各次实验测得
2、的v和W绘制Wv或Wv2、Wv3、图象，直到明确得出W和v的关系5实验结论物体速度v与外力做功W间的关系Wmv2.1实验注意事项(1)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做匀速运动，找到长木板的一个合适的倾角(2)测小车速度时，应选纸带上的点迹均匀的部分，也就是选小车做匀速运动的部分(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2实验探究的技巧与方法(1)不直接计算W的数值，而只是看第2次、第3次实验中的W是第1次的多少倍，
3、简化数据的测量和处理(2)作Wv图象，或Wv2、Wv3图象，直到作出的图象是一条倾斜的直线. 例1某实验小组采用如图2甲所示的实验装置来探究功与速度变化的关系图2(1)下列关于该实验的说法正确的是_A长木板上有打点计时器的一端要适当垫高，以平衡小车运动过程中受到的摩擦力B实验时必须设法算出橡皮筋对小车做功的具体值C实验中，橡皮筋拉伸的长度没有必要完全相同D应先接通电源，再让小车在橡皮筋的作用下弹出(2)在正确操作的情况下，该小组某次所打的纸带如图乙所示为了测量橡皮筋做功后小车获得的速度，应选用纸带上的_(填“AB”“BC”或“AC”)段进行测量；若使用的交流电的频率为50 Hz，则小车最终获得
4、的速度是_m/s.答案(1)AD(2)BC0.65解析(1)实验时，由于小车与木板间有摩擦，需将长木板上有打点计时器的一端适当垫高，平衡摩擦力，故A正确；橡皮筋对小车做的功无法直接测量，所以是通过改变橡皮筋的条数的方法来改变功，为了让橡皮筋的功有倍数关系就要求将橡皮筋拉到同一位置处，故B、C错误；实验时先接通电源，再释放小车，故D正确；(2)为了测量橡皮筋做功后小车获得的速度，要测量最大速度，应该选用点迹均匀的部分，即BC段，小车的最终速度v m/s0.65 m/s.变式某同学利用如图3所示的装置探究做功与速度变化的关系图3(1)小物块在橡皮筋的作用下弹出，沿水平桌面滑行，之后平抛落至水平地面
5、上，落点记为M1；(2)在钉子上分别套上2条、3条、4条同样的橡皮筋，使每次橡皮筋拉伸的长度都保持一致，重复步骤(1)，小物块落点分别记为M2、M3、M4；(3)测量相关数据，进行数据处理为求出小物块抛出时的动能，需要测量下列物理量中的 _(填正确答案标号)A小物块的质量mB橡皮筋的原长xC橡皮筋的伸长量xD桌面到地面的高度hE小物块抛出点到落地点的水平距离L将几次实验中橡皮筋对小物块做功分别记为W1、W2、W3、，小物块抛出点到落地点的水平距离分别记为L1、L2、L3、.若功与速度的平方成正比，则应以W为纵坐标、_为横坐标作图，才能得到一条直线由于小物块与桌面之间的摩擦不能忽略，则由此引起的
6、误差属于_(填“偶然误差”或“系统误差”)答案(3)ADEL2系统误差解析(3)小物块离开桌面后做平抛运动，由桌面到地面的高度hgt2，可计算出平抛运动的时间，再根据小物块抛出点到落地点的水平距离Lv0t，可计算出小物块离开桌面时的速度，根据动能的表达式Ekmv，还需要知道小物块的质量，故A、D、E正确，B、C错误根据hgt2和Lv0t，可得vL2，因为功与速度的平方成正比，所以功与L2成正比，故应以W为纵坐标、L2为横坐标作图，才能得到一条直线一般来说，从多次测量揭示出的实验误差称为偶然误差，不能从多次测量揭示出的实验误差称为系统误差由于小物块与桌面之间的摩擦不能忽略，则由此引起的误差属于系
7、统误差1装置时代化创新点1实验装置的创新利用重物牵引小车例2(2020河北邯郸市测试)某实验小组学生采用如图4甲所示的装置(实验中，小车碰到制动装置时，钩码尚未到达地面)用打点计时器得到一条纸带后，通过分析“小车位移与速度变化的对应关系”来研究“合外力对小车所做的功与速度变化的关系”图乙是实验中得到的一条纸带，点O为纸带上的起始点，A、B、C是纸带上的三个连续的计数点，相邻两个计数点间均有4个点未画出，用刻度尺测得A、B、C到O的距离如图乙所示，已知所用交流电源的频率为50 Hz，问：图4(1)打B点时刻，小车的瞬时速度vB_ m/s(结果保留两位有效数字)(2)实验中，该小组同学画出小车位移
8、x与速度v的关系图象如图丙所示，根据该图形状，某同学对合外力做的功W与v的关系作出的猜想，肯定不正确的是_AWv2 BWvCW DWv3(3)本实验中，若钩码下落高度为h1时合外力对小车所做的功为W0，则当钩码下落h2时，合外力对小车所做的功为_(用h1、h2、W0表示)答案(1)0.80(2)BC(3)解析(1)匀变速直线运动的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，故vB m/s0.80 m/s；(2)位移速度图象为过原点的曲线，故W与v一定不是正比关系，也一定不是反比关系，所以肯定不正确的是B、C；(3)根据功的定义，有：W0F合h1当钩码下落h2时，合外力对小车所做的功为：WF合h2解得：WW
9、0.创新点2实验装置的创新利用光电门和气垫导轨例3(2019山东菏泽市下学期第一次模拟)某同学用气垫导轨做“验证动能定理”实验，装置如图5甲所示，重力加速度为g，按要求完成下列问题图5(1)实验前先用游标卡尺测出遮光条的宽度，测量示数如图乙所示，则遮光条的宽度d_ mm.(2)实验中需要的操作是_A调节螺钉，使气垫导轨水平B调节定滑轮，使连接滑块的细线与气垫导轨平行C滑块与遮光条的总质量M一定要远大于钩码的质量mD使滑块释放的位置离光电门适当远一些(3)按图甲安装并调节好装置，开通气源，将滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间为t，则滑块通过光电门时的速度为v_(用测
10、得的物理量字母表示)(4)若保持钩码质量不变，改变滑块开始释放的位置，测出每次释放的位置到光电门的距离x及每次实验时遮光条通过光电门的时间t，通过描点作出线性图象来反映合力的功与动能改变量的关系，则所作图象关系是_时才能符合实验要求Axt Bx(t)2Cx(t)1 Dx(t)2 答案(1)5.45(2)ABD(3)(4)D解析(1)游标卡尺的主尺读数为5 mm，游标尺读数为0.05 mm90.45 mm，所以最终读数为5.45 mm.(2)调节螺钉使气垫导轨水平，A项正确；为了使细线的拉力等于滑块受到的合外力，调节定滑轮，使连接滑块的细线与气垫导轨平行，B项正确；对于系统来说，无需滑块与遮光条
11、的总质量M远大于钩码的质量m，C项错误；使滑块释放的位置离光电门适当远一些，可以减小测量滑块运动位移的相对误差，D项正确(3)滑块通过光电门时的速度v .(4)由mgx(Mm)()2得x(t)2，因此D项正确创新点3实验装置的创新利用传感器例4(2019江西赣州市上学期期末)某实验小组利用图6(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(未标出)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
12、为m.回答下列问题：图6(1)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_.(用m、vA、FO、FA、xA中各相关物理量表示)(2)若将弹簧从小车上卸下，给小车一初速度v0，让小车从轨道右端向左端滑动，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，则小车所受轨道摩擦力的大小Ff_(用v0、tm中各相关物理量表示)(3) 综合步骤(1)、(2)，该实验所要探究的“外力做功与小车动能变化的关系”表达式是_(用m、vA、FO、FA、xA、v0、tm中各相关物理量表示)答案(1)(FOFA)xAmv(2)m(3)(FOFA)xAmxAmv解析(1)
13、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(FOFA)xA，小车的动能改变量Ekmv；(2)由题图(c)可知，小车的加速度为a，则根据牛顿第二定律可知，小车所受轨道摩擦力的大小Ffm；(3)该实验所要探究的“外力做功与小车动能变化的关系”表达式是WFWfmv，即：(FOFA)xAmxAmv.例5(2019福建龙岩市5月模拟)如图7甲所示是探究“恒力做功与物体动能改变的关系”的实验装置，主要实验步骤如下：图7用天平测出滑块(含滑轮)质量M240 g，并安装好实验装置；适当垫高长木板不带滑轮的一端，滑块不挂轻绳，挂上纸带，轻推滑块使滑块沿长木板匀速运动；轻绳通过轨道末端的滑轮和滑块上的滑轮
14、，一端挂在拉力传感器上，另一端挂质量为m100 g的钩码，两轻绳与木板平行；接通打点计时器电源，释放滑块，打出一条点迹清晰的纸带，如图乙所示，相邻计数点间时间间隔为0.1 s，并记录拉力传感器示数F0.39 N.回答下列问题：(1)滑块从B运动到D的过程中，合力对滑块所做的功W_ J，滑块动能的增量Ek_ J；(计算结果均保留2位有效数字)(2)多次实验发现合力对滑块所做的功W总略大于滑块动能的增量Ek，可能的原因是_A没有满足滑块质量远大于钩码质量B平衡摩擦力过度C滑轮摩擦影响(3)利用该实验装置还可以完成的物理实验有：_(写出一种即可)答案(1)0.140.13(2)C(3)研究匀变速直线
15、运动的规律(探究加速度与质量、合力的关系；测量滑块与长木板间的动摩擦因数等)解析(1)由题图知，合外力对滑块做的功为W2FxBD0.14 J；根据匀变速直线运动的规律可求：vB0.6 m/s，vD1.2 m/s，所以滑块动能的增量EkMvMv0.13 J；(2)因有拉力传感器测量绳上的拉力，故不需要满足滑块质量远大于钩码质量，A错误；若平衡摩擦力过度，会有重力做正功，动能的增量应大于合力做的功，B错误；滑轮有摩擦，需克服摩擦做功，有一部分能量转化为内能，动能的增量略小于合力做的功，C正确；(3)有打点计时器、纸带，可研究匀变速直线运动的规律；也可测量滑块与长木板间的动摩擦因数；加速度、质量、合外力均可测，故也可以研究加速度与质量、合力的关系
