(新课标)2017年高考物理一轮复习第六章机械能第5讲(精)

课标版物理第5讲实验_探究动能定理[实验目的]1.通过实验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。[实验原理]1.不是直接测量对小车做的功,而是通过改变橡皮筋条数确定对小车做的功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。教材研读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W-v图线,分析这条图线,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。[实验器材]小车(前面带小钩)、100~200g的砝码、长木板(两侧适当的对称位置钉两个铁钉)、打点计时器、纸带、学生电源(使用电火花计时器不用学生电源)、导线、5~6条等长的橡皮筋、刻度尺。[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。[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,应在纸带上测量的物理量是(用字母表示):A1、A2间的距离x,小车速度的表达式是(用测量的物理量表示)v= (T为打点计时器的打点时间间隔)。 2.实验数据记录xT橡皮筋条数位移x/m时间t/s速度v/(m·s-1)速度平方v2/(m2·s-2)3.实验数据处理及分析:在坐标纸上画出W-v和W-v2图线(“W”以一根橡皮筋做的功为单位)。 4.实验结论:从图像可知功与物体速度变化的关系W∝v2。[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,从而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。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。考点一实验器材和实验原理 典例1某探究学习小组的同学欲验证“动能定理”,他们在实验室组装了一套如图所示的装置,另外他们还找到了学生电源、导线、复写纸、纸带、滑块、细沙。当滑块连接上纸带,用细线通过滑轮挂上空的小沙桶时,释放小桶,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,则:考点突破 (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和沙桶的总重力大小基本相等,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M。往沙桶中装入适量的细沙,用天平称出此时沙和沙桶的总质量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)。 答案(1)天平、刻度尺(2)沙和沙桶的总质量远小于滑块的质量平衡摩擦力(3)mgL= M - M  解析(1)测量滑块的质量及沙和沙桶的总质量得用到天平,而对纸带进行数据处理要用到刻度尺。1222v1221v(2)平衡摩擦力以后,由牛顿第二定律可求出,滑块受到的合力F= = ,可见只有m≪M时,F才基本等于mg。(3)对滑块来说,合外力做的功W=mgL此过程中动能的增加量ΔEk= M - M 故最终要验证的“动能定理”表达式为:mgL= M - M 。1-1在探究恒力做功与物体的动能改变量的关系的实验中备有下列器材:A.电磁打点计时器;B.天平;C.停表;D.低压交流电源;E.电池;F.纸带;G.细线、砝码、小车、砝码盘;H.薄木板。(1)其中多余的器材是,缺少的器材是。MmgMm1mgmM1222v1221v1222v1221v(2)测量时间的工具是;测量质量的工具是。(3)图是打点计时器打出的小车(质量为m)在恒力F作用下做匀加速直线运动的纸带。测量数据已用字母表示在图中,打点计时器的打点周期为T。请分析,利用这些数据能否验证动能定理?若不能,请说明理由;若能,请说出做法,并对这种做法作出评价。  答案(1)C、E毫米刻度尺(2)电磁打点计时器天平(3)见解析 解析(1)计算小车速度是利用打上点的纸带,故不需要停表。电磁打点计时器应使用低压交流电源,故多余的器材是C、E。测量点与点之间的距离要用毫米刻度尺,故缺少的器材是毫米刻度尺。(2)测量时间的工具是电磁打点计时器,测量质量的工具是天平。(3)能,从A到B的过程中,恒力做的功为WAB=FxAB物体动能的变化量为EkB-EkA= m - m = m( )2- m( )2= m 只要验证FxAB= m 即可。优点:A、B两点的距离较远,测量时的相对误差较小;缺点:只进行了一次测量验证,说服力不强。122Bv122Av122BxT122AxT122224BAxxT122224BAxxT考点二实验数据处理和误差分析 典例2(2015江西南昌一模,23)某实验小组用图甲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,长木板一端放置在水平桌面边缘P处,另一端放置在铁架台竖直铁杆上,使长木板倾斜放置,长木板P处放置一光电门,用光电计时器记录滑块通过光电门时的挡光时间。 甲实验步骤是:①用游标卡尺测出滑块上挡光片的宽度L,用天平测量滑块的质量m。②平衡摩擦力:以木板放置在水平桌面上的P处为轴,调节长木板在铁架台上的放置位置,使滑块恰好沿木板向下做匀速运动。在铁架台竖直杆上记下此位置Q1,用刻度尺测出Q1到水平面的高度H。③保持P位置不变,长木板一端放置在铁架台竖直杆Q2上。用刻度尺量出Q1Q2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挡光片的挡光时间t1。④保持P位置不变,重新调节长木板一端在铁架台上的放置位置,重复步骤③数次。Ⅰ.滑块沿长木板由Q2运动到P处的过程中,用测量的物理量回答下列问题(已知重力加速度为g):(1)滑块通过光电门的速度v=;(2)滑块动能的变化量ΔEk=;(3)滑块克服摩擦力做的功Wf=;(4)合力对滑块做的功W合=。Ⅱ.某学生以长木板在铁架台竖直杆上的放置位置到Q1的距离h为横坐标,以滑块的挡光片通过光电门的挡光时间平方的倒数 为纵坐标,根据测量数据在坐标中描点画出如图乙所示直线,直线延长线没有过坐标原点,其原因主要是。21t 乙 答案Ⅰ.(1) (2) (3)mgH(4)mgh1Ⅱ.平衡摩擦力倾角过大 解析Ⅰ.(1)实验中用挡光片通过光电门的平均速度作为滑块通过光电门的瞬时速度:v= 。(2)滑块动能的变化量ΔEk= mv2-0= 。(3)摩擦力1Lt2212mLt1Lt122212mLt被平衡时μ=tanθ= ,x是P到铁架台的水平距离,滑块从Q2下滑时克服摩擦力做的功Wf=μmgcosθ'× = ×mg×(h1+H)× =mgH。(4)合力对滑块做的功W合=WG-Wf=mg(h1+H)-mgH=mgh1。Ⅱ.由题图知h=0时 0,则表明平衡摩擦力时长木板倾角过大。2-1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,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50.0cm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。Hx1sin'hHθHx1xhH211t (1)实验主要步骤如下:①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;②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。③在小车中增加砝码,或,重复②的操作。(2)表1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,| - |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ΔE,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ΔE3=,W3=。(结果保留三位有效数字)21v22v表1数据记录表次数M/kg| - |/(m/s)2ΔE/JF/NW/J10.5000.7600.1900.4000.20020.5001.650.4130.8400.42030.5002.40ΔE31.22W341.002.401.202.421.2151.002.841.422.861.4321v22v(3)根据表1,请在图中的方格纸上作出ΔE-W图线。  答案(1)①小车②释放小车③改变钩码数量(2)0.6000.610(3)如图所示  解析ΔE3= M(| - |)= ×0.500×2.40J=0.600JW3=F3s=1.22×0.500J=0.610J。 1221v22v12考点三实验的改进与创新典例3(2015河北保定调研,23)图甲所示的装置可用来探究做功与速度变化的关系。倾角为θ的斜面体固定在实验台上,将光电门固定在斜面体的底端O点,将小球从斜面上的不同位置由静止释放。释放点到光电门的距离d依次为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm。 (1)用螺旋测微器测量小球的直径,如图乙所示,小球的直径D=cm。(2)该实验(选填“需要”或“不需要”)测量小球质量;小球通过光电门经历的时间为Δt,小球通过光电门的速度为(填字母),不考虑误差的影响,从理论上来说,该结果(选填“”、“”或“=”)球心通过光电门的瞬时速度。(3)为了探究做功与速度变化的关系:依次记录的实验数据如下表所示。实验次数123456d/×10-2m5.0010.0015.0020.0025.0030.00v/(m·s-1)0.690.981.201.391.551.70v2/(m·s-1)20.480.971.431.922.412.86 /(m·s-1)1/20.830.991.101.181.241.30v从表格中数据分析能够得到关于“做功与速度变化的关系”的结论是。 答案(1)0.5626(0.5624~0.5628之间均对)(2)不需要 (3)合外力做功与小球通过光电门时速度的平方成正比(或者释放点到光电门的距离d与小球通过光电门时速度的平方成正比) 解析(1)螺旋测微器的读数为D=(5.5+12.6×0.01)mm=5.626mm=0.5626cm。(2)根据动能定理有mgdsinθ= mv2,消去m得gdsinθ= ,所以该实验不需要测量小球的质量;小球通过光电门的速度为v= 。小球沿斜面做匀Dt1222vDt加速直线运动,小球通过光电门的速度可以看做Δt时间内中间时刻的速度,不考虑误差的影响,球心通过光电门的速度可以看做D位移内中点的速度,由匀变速直线运动的规律,可以判定中点的速度大于中间时刻的速度。(3)分析表中数据可得出结论:合外力做功与小球通过光电门时速度的平方成正比(或者释放点到光电门的距离d与小球通过光电门时速度的平方成正比)3-1(2015湖北武汉武昌调研,22)如图所示,上、下两个完全相同的圆弧轨道分别固定在竖直板上的不同高度处,轨道的末端水平,上轨道可上下平移,在两轨道相对于各自轨道末端高度相同的位置上各安装一个电磁铁,两个电磁铁由同一个开关控制,通电后,两电磁铁分别吸住相同小铁球A、B