1、第21讲 本单元实验 考点整合 实验一 探究动能定理1.实验目的：探究外力对物体做功与物体_的关系2.实验器材与实验装置小车(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)、_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_、刻度尺实验装置如图211所示第21讲 考点整合 弹性势能弹簧纸带第21讲 考点整合 实验二 验证机械能守恒定律1.实验目的：验证机械能守恒定律2.实验器材与实验装置铁架台(含铁夹)、_学生电源、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、重物(带纸带夹)实验装置如图212所示3.注意事项(1)应尽可能控制实验条件，即应满足机械能守
2、恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响(2)验证机械能守恒时，可以_物体质量，只要比较v和ghn是否相等即可验证机械能是否守恒打点计时器不测出要点探究 探究点一 实验原理与实验操作一、探究动能定理1.实验原理探究功与物体动能变化的关系，可通过改变力对物体做的功，测出力对物体做不同功时物体的速度为简化实验，可将物体的初速度设置为零，用如图213所示的装置进行实验，通过增加橡皮筋的条数使橡皮筋对小车做的功成倍增加再通过打点计时器和纸带来测量每次实验后小车的末速度v.第21讲 要点探究 第21讲 要点探究 2.实验步骤(1)按图213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
3、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)用两条橡皮筋做实验，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(5)用作图法分析数据，得出结论第21讲 要点探究 二、验证机械能守恒定律1.实验原理(1)在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能互相转化，但总的机械能保持不变若物体某时刻瞬时速度为 v，下落高度为 h，则重力势能的减少量为 mgh，动能的增加量为12mv2t，看它们在实验误差允许的范围内是否相等，
4、若相等，则验证了机械能守恒定律第21讲 要点探究(2)速度的测量：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点间的平均速度计算打第 n 个点瞬时速度的方法是：测出第 n 个点的相邻前后两段相等时间 T 内下落的距离 sn 和 sn1，由公式 vnsnsn12T或vnhn1hn12T算出，如图 214 所示第21讲 要点探究 2实验操作(1)器材安装：如图 215 所示，将打点计时器固定在铁架台上，用导线将打点计时器与低压交流电源相连，此时电源开关应为断开状态第21讲 要点探究(2)打纸带：把纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器下
5、方附近，应先接通电源，待计时器打点稳定后再松开纸带，让重物自由下落，打点计时器就在纸带上打出一系列的点，取下纸带，换上新的纸带重打几条(3 条5 条)纸带(3)选纸带：在所打下的几条纸带中，选取点迹清晰的纸带研究(4)数据测量：在第一个打的点上标出 O，并从稍靠后的某一点开始，依次标出 1、2、3、4并量出各点到位置 O 的距离h1、h2、h3、h4，用公式 vnhn1hn12T计算出各点对应的瞬时速度 v1、v2、v3、v4(5)验证机械能守恒第21讲 要点探究 例1 用如图216所示的实验装置验证机械能守恒定律实验所用的电源为学生电源，输出电压为6 V的交流电和直流电两种重锤从高处由静止开
6、始落下，重锤上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即可验证机械能守恒定律第21讲 要点探究(1)下面列举了该实验的几个操作步骤：A.按照图示的装置安装器件；B.将打点计时器接到电源的直流输出端上；C.用天平测量出重锤的质量；D.释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸带；E.测量打出的纸带上某些点之间的距离；F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能指出其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤，将其选项对应的字母填在下面的空行内，并说明其原因答：_第21讲 要点探究(2)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值，如图217所示
7、根据打出的纸带，选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E，测出A点距起始点O的距离为s0，点A、C间的距离为s1，点C、E间的距离为s2，使用交流电的频率为f，则根据这些条件计算重锤下落的加速度a的表达式为：a_.第21讲 要点探究(3)在验证机械能守恒定律的实验中发现，重锤减小的重力势能总是大于重锤动能的增加，其原因主要是在重锤下落过程中存在着阻力的作用，可以通过该实验装置测定该阻力的大小若已知当地重力加速度公认的较准确的值为g，还需要测量的物理量是_试用这些物理量和纸带上的测量数据表示出重锤在下落的过程中受到的平均阻力大小为F_.第21讲 要点探究 例 1 (1)略 (2)14 f2(
8、s2 s1)(3)重 锤 的 质 量 m mg14f2s2s1解析(1)打点计时器需要的电源是 6 V 以上的交流电，此实验不需要用天平测量出重锤的质量，应先接通打点计时器的电源开关，待打点稳定后再释放悬挂纸带的夹子打出一条纸带所以步骤 B、D 错误，步骤 C 不必要(2)根据公式 saT2 得 s2s1a4f2，所以 a14f2(s2s1)(3)根据牛顿第二定律 mgfma，平均阻力大小为 fmgmamg14f2(s2s1)，计算阻力的大小需要测量重锤的质量 m.第21讲 要点探究 点评 打点计时器是高中物理中最常用和最重要的仪器，要使用打点计时器，必须要配备的其他仪器有：交流电源、纸带、导
9、线和刻度尺第21讲 要点探究 2011德州模拟 关于“探究动能定理”的实验中，下列叙述正确的是()A.每次实验必须设法算出橡皮筋对小车做功的具体数值B.每次实验中，橡皮筋拉伸的长度没有必要保持一致C.放小车的长木板应该尽量使其水平D.先接通电源，再让小车在橡皮筋的作用下弹出第21讲 要点探究 D 解析 本实验不必测出橡皮筋做功的具体数值，只要测出以后每次实验时橡皮筋做的功是第一次的多少倍即可，A错；每次实验时橡皮筋拉伸的长度必须保持一致，只有这样才能只能保证以后每次实验时橡皮筋做的功是第一次的整数倍，否则，功的数值难以测定，B错；小车运动过程中会受到阻力，只有使木板倾斜到一定程度，才能减小误差
10、，C错；实验时，应该先接通电源，让打点计时器开始工作，然后再让小车在橡皮筋的作用下弹出，D对 探究点二 数据处理与误差分析1.探究动能定理的实验(1)数据处理小车速度的测量：探究橡皮筋弹力做功和小车速度的关系，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，应选用纸带上点迹均匀的部分图象分析：以橡皮筋对小车做的功W为纵坐标，小车获得的速度为横坐标，以第一次实验时的功W为单位，作出Wv图象，分析这条图线，可以得知橡皮筋对小车做的功W与小车获得的速度v的定量关系第21讲 要点探究(2)减小实验误差应注意的问题在长木板上，小车、铁钉、打点计时器的位置应调整适当，以保证打在纸带上的点便于处理，
11、求出小车运动的速度平衡摩擦力时，可使木板略微倾斜，保证小车脱离橡皮筋后做匀速运动(3)若小车的质量较小，当用多条橡皮筋时，打出的点过少，应改用质量稍大的小车(或加砝码)，以保证打出的点便于处理第21讲 要点探究 第21讲 要点探究 2.验证机械能守恒定律实验(1)数据处理测量下落高度时，为了减小测量值 h 的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不宜过长，有效长度可在 60 cm80 cm.速度不能用 vngtn 或 vn 2ghn计算，因为只要认为加速度为g，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，况且用 vngtn 计算出的速度比实际值大，会得出机械能增加的
12、错误结论，而由于摩擦阻力的影响，机械能应该减少，所以速度应从纸带上直接测量计算，同样的道理，重物下落的高度 h 也只能用刻度尺直接测量，而不能用 hn12gt2n或 hnv2n2g计算得到第21讲 要点探究 图象法处理数据：从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度 h，并计算各点速度的平方 v2t.以12v2t为纵轴，以 h 为横轴，根据实验数据绘12v2th 图线若图象在误差允许的范围内是一条过原点且斜率为 g 的直线，则验证了机械能守恒定律(2)误差分析本实验的误差主要来源于纸带数据的处理、点间距离的测量和各种阻力安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力
13、应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小第21讲 要点探究 本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差，减小误差的办法是测下落距离时都从O点测量，一次将各点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，所以系统误差总是使动能的增加量略小于重力势能的减少量3.打点计时器问题探究动能定理和验证机械能守恒定律实验中均使用打点计时器，使用打点计时器时应注意：(1)应先接通电源，待计时器打点稳定后再松开纸带(2)交流电频率的变化会引起打点时间间隔变化而产生误差当交流电频率的升高时，实际打点时间间隔小于理论时间间
14、隔，使测得的速度小于实际速度(3)计数点选择不当、振动片振动不均匀、纸带放置方法不正确引起的摩擦都会产生实验误差.第21讲 要点探究 例2 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218所示的器材，让小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿木板滑行，请思考探究思路并回答下列问题(打点计时器所用交流电频率为50 Hz)：第21讲 要点探究 (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应都保持一致，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
15、速度可以由打点计时器和纸带测出，如图219所示是其中四次实验打出的部分纸带第21讲 要点探究 第21讲 要点探究(4)试根据第(2)、(3)中的信息，填写下表 从表中数据可得出的结论是：_.第21讲 要点探究 例 2(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)如下表所示次数1234橡皮筋对小车做功2W3W3W小车速度v(m/s)1.0 1.421.732.0v2(m2/s2)1.02.03.04.0 橡皮筋对小车做的功与小车速度的平方成正比解析(4)由匀速运动的速度公式 vst，其中 s 从图中读出分别为 2.00 cm、2.83 cm、3.46 cm、4.00
16、cm.tT1f0.02 s，即可求出小车的速度第21讲 要点探究 点评 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第21讲 要点探究 1 在一次演示实验中，一个压紧的弹簧沿一粗糙水平面射出一个小物体，测得弹簧压缩的距离d和小球在粗糙水平面滑动的距离s如下表所示由此表可以归纳出小物体滑动的距离s跟弹簧压缩的距离d之间的关系，并猜测弹簧的弹性势能Ep跟弹簧压缩的距离d之间的关系分别是(选项中k1、k2是常量)()A.sk1d，Epk2dBsk1d，Epk2d2C.sk1d2，Epk2dDsk1d2，Epk2d2第21讲 要点探究 D 解析 从表中数据可以看出，滑动距离s与
17、弹簧压缩的距离d的平方成正比，即sk1d2，由于小球的动能全部来自于弹簧的弹性势能，小球在滑动过程中动能又全部转化为摩擦力做的功，所以弹性势能与摩擦力做功相等，即D正确第21讲 要点探究 2 2010安徽卷 利用图2110所示装置进行验证机械能守恒定律的实验时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h.某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案：第21讲 要点探究 a.用刻度尺测出物体下落的高度 h，并测出下落时间 t，通过 vgt 计算出瞬时速度 v.b.用刻度尺测出物体下落的高度 h，并通过 v 2gh计算出瞬时速度 v.c.根据做匀变速直线运动时纸带上某点的
18、瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度 v，并通过 hv2t2g计算出高度 h.d.用刻度尺测出物体下落的高度 h，根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度 v.以上方案中只有一种正确，正确的是_(填入相应的字母)第21讲 要点探究 d 解析 由于摩擦阻力等因素的存在，物体加速度ag，a、b、c三项均不正确 探究点三 同类实验拓展与创新验证机械能守恒定律的方法很多，在具体的实验过程中有许多创新，但无论是哪种情况，都要先确定初末状态，利用数据得到动能的变化量，与重力做功去比较，得出结论.第21讲 要点探究 第21讲 要点探究 例
19、3 用气垫导轨装置验证机械能守恒定律，先非常仔细地把导轨调成水平，然后如图2111所示用垫块把导轨一端垫高H.滑块m上面装l3 cm的挡光框，使它由轨道上端任一处滑下，测出它通过电门G1和G2时的速度v1和v2，就可以算出它由G1到G2这段过程中动能的增加量Ekm(vv)；再算出重力势能的减少量Epmgh，比较Ek与Ep的大小，便可验证机械能是否守恒(1)滑块的速度v1、v2如何求出？滑块通过G1时的高度h如何求出？(2)若测得图中L1 m，s0.5 m，H20 cm，m500 g，滑块通过G1和G2的时间分别为5.0102 s和2.0102 s，当地重力加速度g9.80 m/s2，试判断机械
20、能是否守恒第21讲 要点探究 第21讲 要点探究 例 3(1)略(2)守恒 解析(1)因为挡光框宽度很小(l3 cm)，而滑块通过挡光框的时间极短，故可以认为滑块做匀速运动，则通过两挡光框时的平均速度就等于通过 G1 和 G2 两位置的瞬时速度 v lt；由相似原理可知hsHL，便可求得 hHLs，H、L、s 均为已知第21讲 要点探究(2)v1 lt1 m/s31025102 m/s0.6 m/s，v2 lt231022102 m/s1.5 m/s动能增加量 Ek12m(v22v21)0.473 JhHLs0.21 0.5 m0.1 m，势能减少量 Epmgh0.490 J，在允许误差范围内
21、可认为机械能守恒第21讲 要点探究 点评 本实验设计是对课本实验原理的拓展，主要考查在新情景中对已学知识的迁移应用，考查分析、处理实际问题的综合能力第21讲 要点探究 如图2112甲所示，用包有白纸的总质量为m的圆柱棒替代纸带和重锤，蘸有颜料的毛笔固定在马达上并随之转动，使之替代打点计时器当烧断挂圆柱棒的线后，圆柱棒竖直自由落下，毛笔就在圆柱棒面的纸上画出记号，如图2111乙所示测得记号之间的距离依次为26 mm、42 mm、58 mm、74 mm、90 mm、106 mm，已知马达铭牌上标有“1500 r/min”的字样，由此验证机械能守恒第21讲 要点探究 由以上内容回答下列问题：(1)毛
22、笔画相邻两线的时间间隔T_，乙中圆柱棒的_(选填“左”或“右”)端是悬挂端(2)根据图乙中所给数据，可知毛笔画下记号C时，圆柱棒下落速度vC_，画下记号D时，圆柱棒下落速度vD_，动能的变化量为_，在这段位移上，圆柱棒重力势能的变化量为_，由此可得出结论为_第21讲 要点探究 (1)0.04 s 左(2)1.25 m/s 1.65 m/s 0.58m J 0.58m J 物体在下落过程中机械能守恒解析(1)马达的转速为 1500 r/min，可知其频率为 f25 Hz，所以周期为 T1f0.04 s毛笔画相邻两线的时间间隔即为马达的转动周期 T0.04 s由于棒做自由落体运动，故画线间距越靠近悬挂端越大，因此左端为悬挂端(2)由匀加速直线运动规律，可得圆柱棒下落速度为：vCsBD2T320.04 m/s1.25 m/svDsCE2T320.04 m/s1.65 m/s第21讲 要点探究 所以 C、D 间圆柱棒动能的变化量为 Ek12m(v2Dv2C)0.58m J圆柱棒重力势能的变化为 EpmgsCD0.58m J由此可得出结论为：物体在下落过程中机械能守恒