1、第5講實驗五:探究動能定理,一、實驗目的 1.通過實驗探究外力對物體做功與物體速度的關系。 2.通過實驗數(shù)據(jù)分析,總結出做功與物體速度平方的正比關系。 二、實驗原理 1.不是直接測量橡皮筋對小車做的功,而是通過改變橡皮筋條數(shù)確定對小車做的功W、2W、3W 2.由于橡皮筋做功而使小車獲得的速度可以由紙帶和打點計時器測出,也可以用其他方法測出。這樣,進行若干次測量,就得到若干組功和速度的數(shù)據(jù)。 3.以橡皮筋對小車做的功為縱坐標,小車獲得的速度為橫坐標,作出W-v或W-v2曲線,分析曲線,可以得知橡皮筋對小車做的功與小車獲得的速度的定量關系。,三、實驗器材 小車(前面帶小鉤)、100200 g砝碼、

2、長木板,兩側適當?shù)膶ΨQ位置釘兩個鐵釘、打點計時器及紙帶、學生電源及導線(使用電火花計時器時不用學生電源)、56條相同的橡皮筋、刻度尺。 四、實驗步驟 1.按如圖所示將實驗儀器安裝好,同時平衡摩擦力。 2.先用一條橡皮筋做實驗,用打點計時器和紙帶測出小車獲得的速度v1,設此時橡皮筋對小車做的功為W1,將這一組數(shù)據(jù)記入表格。 3.用2條橡皮筋做實驗,實驗中橡皮筋拉伸的長度與第一次相同,這樣橡皮筋對小車做的功為W2,測出小車獲得的速度v2,將數(shù)據(jù)記入表格。 4.用3條、4條橡皮筋做實驗,用同樣的方法測出功和速度,記入表格。,五、數(shù)據(jù)處理 1.測量小車的速度:實驗獲得如圖所示的紙帶,為探究橡皮筋彈力

3、做功和小車速度的關系,需要測量彈力做功結束時小車的速度,即小車做勻速運動的速度,應在紙帶上測量的物理量是:A1、A2(或A2、A3)間的距離x,小車速度的表達式是 (T為打點計時器的時間間隔)。 2.我們可根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù),分別作出W-v曲線、W-v2曲線、W-v3曲線哪一種圖象更接近于過原點的傾斜直線,功與速度之間就是哪一種正比關系。 六、誤差分析 1.誤差的主要來源是橡皮筋的長度、粗細不一,使橡皮筋的拉力做功W與橡皮筋的條數(shù)不成正比。 2.沒有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力時傾角過大也會造成誤差。 3.利用紙帶計算小車的速度時,測量不準帶來誤差。,七、注意事項 1.平衡摩擦力很關鍵,將木板一

4、端墊高,使小車重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡。方法是輕推小車,由打點計時器打在紙帶上的點的均勻程度判斷小車是否勻速運動,從而找到木板一個合適的傾角。 2.測小車速度時,紙帶上的點應選均勻部分的,也就是選小車做勻速運動時打出的點。 3.橡皮筋應選規(guī)格一樣的。力對小車做的功以一條橡皮筋做的功為單位即可,不必計算出具體數(shù)值。 4.小車質(zhì)量應大一些,使紙帶上打的點多一些。,八、實驗創(chuàng)新 本實驗可從多個角度進行創(chuàng)新,比如可以利用驗證牛頓第二定律的實驗裝置在平衡好摩擦力后,在滿足重物質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量時將重物的重力作為對小車的拉力,此時可選小車作為研究對象,如果不能滿足重物的質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量,可將

5、重物和小車整體作為研究對象,此時也可在小車與重物之間加上一個力傳感器測出小車受到的合力,在測量小車的速度時,可用速度傳感器或光電門進行測量,也可借助平拋運動的特點來測量。,考點二,考點三,考點一,考點一實驗原理與實驗操作 典例1某同學把附有滑輪的長木板平放在實驗桌上,將細繩一端拴在小車上,另一端繞過定滑輪,掛上適當?shù)你^碼,使小車在鉤碼的牽引下運動,以此定量探究繩拉力做功與小車動能變化的關系。此外還準備了打點計時器及配套的電源、導線、復寫紙、紙帶、小木塊等。組裝的實驗裝置如圖所示。 (1)若要完成該實驗,必需的實驗器材還有哪些。 (2)實驗開始時,他先調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度,使牽引小車的細繩與木

6、板平行。他這樣做的目的是下列的哪個(填字母代號)。 A.避免小車在運動過程中發(fā)生抖動 B.可使打點計時器在紙帶上打出的點跡清晰 C.可以保證小車最終能夠?qū)崿F(xiàn)勻速直線運動 D.可在平衡摩擦力后使細繩拉力等于小車受的合力,考點二,考點三,考點一,(3)平衡摩擦力后,當他用多個鉤碼牽引小車時,發(fā)現(xiàn)小車運動過快,致使打出的紙帶上點數(shù)較少,難以選到合適的點計算小車速度。在保證所掛鉤碼數(shù)目不變的條件下,請你利用本實驗的器材提出一個解決辦法:。 他將鉤碼重力做的功當作細繩拉力做的功,經(jīng)多次實驗發(fā)現(xiàn)拉力做功總是要比小車動能增量大一些。這一情況可能是下列哪些原因造成的(填字母代號)。 A.在接通電源的同時釋放了

7、小車 B.小車釋放時離打點計時器太近 C.阻力未完全被小車重力沿木板方向的分力平衡掉 D.鉤碼做勻加速運動,鉤碼重力大于細繩拉力,考點二,考點三,考點一,(4)他將鉤碼重力做的功當作細繩拉力做的功,經(jīng)多次實驗發(fā)現(xiàn)拉力做功總是要比小車動能增量大一些。這一情況可能是下列哪些原因造成的(填字母代號)。 A.在接通電源的同時釋放了小車 B.小車釋放時離打點計時器太近 C.阻力未完全被小車重力沿木板方向的分力平衡掉 D.鉤碼做勻加速運動,鉤碼重力大于細繩拉力,考點二,考點三,考點一,【解題思路】(1)實驗要處理紙帶測速度,需要刻度尺,要分析動能的變化,必須要測出小車的質(zhì)量,因此還需要天平。(2)實驗中調(diào)

8、節(jié)定滑輪高度,使細繩與木板平行,可在平衡摩擦力后使細繩的拉力等于小車所受的合力,如果不平行,細繩的拉力在垂直于木板的方向上就有分力,改變了摩擦力就不能使細繩拉力等于小車所受的合力,D項正確。(3)在所掛鉤碼個數(shù)不變的情況下,要減小小車運動的加速度,可以增大小車的質(zhì)量,即可在小車上加適量的砝碼(或鉤碼)。(4)如果用鉤碼重力做的功當作細繩拉力做的功,發(fā)現(xiàn)拉力做的功總比小車動能的增量大,原因可能是阻力未被完全平衡掉,因此拉力做功一部分用來增大小車動能,一部分用來克服阻力做功;也可能是小車做加速運動,因此細繩的拉力小于鉤碼的重力, 鉤碼的重力做的功大于細繩的拉力做的功,即大于小車動能的增量,C、D項

9、正確。 【參考答案】 (1)刻度尺、天平(2)D(3)可在小車上加適量的砝碼(或鉤碼)(4)CD,考點二,考點三,考點一,【名師點睛】不管是用橡皮筋拉著小車動還是重物拉著小車動,要使橡皮筋對小車的拉力或重物對小車的拉力為小車受到的合力都需要平衡摩擦力,平衡摩擦力后一般認為小車重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡,即mgsin =mgcos ,因此改變小車質(zhì)量后不需要重新平衡摩擦力。,考點二,考點三,考點一,(多選)用如圖所示的裝置做“探究動能定理”的實驗時,下列說法正確的是 ( AC ) A.為了平衡摩擦力,實驗中可以將長木板的左端適當墊高,使小車拉著穿過打點計時器的紙帶自由下滑時能保持勻速運動

10、 B.實驗中要先釋放小車再接通打點計時器的電源 C.通過打點計時器打下的紙帶來測定小車加速過程中獲得的最大速度 D.通過打點計時器打下的紙帶來測定小車加速過程中獲得的平均速度,考點二,考點三,考點一,【解析】當小車拉著穿過打點計時器的紙帶做勻速運動時,沿長木板方向的重力的分力大小等于摩擦力,即在實驗中可消除摩擦力的影響,A項正確;使用打點計時器時都必須先接通電源再釋放小車,B項錯誤;橡皮筋拉力做的總功等于小車動能的增加,此動能應為小車獲得的最大動能,所以用打點計時器打下的紙帶測定的是小車的最大速度,C項正確,D項錯誤。,考點二,考點三,考點一,考點二數(shù)據(jù)處理與誤差分析 典例2(2016廣東陸豐

11、甲子中學月考)如圖所示,是某研究性學習小組做探究“橡皮筋做功和物體速度變化的關系”的實驗,圖中是小車在一條橡皮筋作用下彈出沿木板滑行的情形。這時,橡皮筋對小車做的功記為W。當我們把2條、3條完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次實驗時,每次橡皮筋都拉伸到同一位置釋放。實驗中小車每次獲得的速度由打點計時器所打點的紙帶測出。,考點二,考點三,考點一,(1)除了圖中已給出的實驗器材外,還需要的器材有。 (2)平衡摩擦后,每次實驗得到的紙帶上的點并不都是均勻的,為了測量小車獲得的速度,應選用紙帶的 部分進行測量。 (3)下面是本實驗的數(shù)據(jù)記錄表,請將第2次、第3次實驗中橡皮筋做的功填寫在對應的位置

12、。,考點二,考點三,考點一,(4)從理論上講,橡皮筋做的功Wn和物體速度vn變化的關系應是Wn,請你根據(jù)表中測定的數(shù)據(jù)在如圖所示的坐標系中作出相應的圖象驗證理論的正確性。,考點二,考點三,考點一,考點二,考點三,考點一,考點二,考點三,考點一,【名師點睛】利用圖象探究物理量間的關系時,首先確定橫、縱坐標軸對應的物理量及單位,然后根據(jù)表中數(shù)據(jù)確定橫、縱坐標軸的標度,認真描寫各坐標點,最后連線時要注意連線原則,一定要用平滑的直線連接,偏離直線較遠的點要舍去。,考點二,考點三,考點一,(2015大連期末檢測)某同學在實驗室用如圖甲所示的裝置 來研究有關做功的問題。,考點二,考點三,考點一,(1)如圖

13、甲所示,在保持M7m條件下,可以認為繩對小車的拉力近似等于沙和沙桶的總重力,在控制小車質(zhì)量不變的情況下進行實驗。在實驗中,該同學先接通打點計時器的電源,再放開紙帶,已知交流電的頻率為50 Hz。圖乙是在m=100 g、M=1 kg情況下打出的一條紙帶,O為起點,A、B、C為過程中3個相鄰的計數(shù)點,相鄰的計數(shù)點之間有4個點沒有標出,有關數(shù)據(jù)如圖乙所示,則打B點時小車的動能Ek=0.50 J,從開始運動到打B點時,繩的拉力對小車做的功W=0.51 J(保留2位有效數(shù)字,g取9.8 m/s2)。 (2)在第(1)問中,繩的拉力對小車做的功W大于小車獲得的動能Ek,請你舉出導致這一結果的主要原因:摩擦

14、沒有完全抵消;沙和沙桶的重力大于繩的拉力(寫出一種即可)。,考點二,考點三,考點一,考點二,考點三,考點一,考點三同類實驗拓展與創(chuàng)新 典例3為了探究外力做功與物體動能變化的關系,查資料得知,彈簧的彈性勢能Ep= 1 2 kx2,其中k是彈簧的勁度系數(shù),x是彈簧長度的變化量。某同學就設想用壓縮的彈簧推靜止的小球(質(zhì)量為m)運動來探究這一問題。為了研究方便,把小球放在水平桌面上做實驗,讓小球在彈力作用下運動,即只有彈簧彈力做功。該同學設計實驗如下: (1)首先進行如圖甲所示的實驗:將輕質(zhì)彈簧豎直掛起來,在彈簧的另一端掛上小球,靜止時測得彈簧的伸長量為d。,在此步驟中,目的是要確定物理量, 用m、d

15、、g表示為。,考點二,考點三,考點一,(2)接著進行如圖乙所示的實驗:將這根彈簧水平放在桌面上,一端固定,另一端被小球壓縮,測得壓縮量為x,釋放彈簧后,小球被推出去,從高為h的水平桌面上拋出,小球在空中運動的水平距離為L。小球的初動能Ek1=,小球離開桌面的動能Ek2=,彈簧對小球做的功W=(用m、x、d、g表示),對比W和Ek2-Ek1就可以得出外力做功與物體動能變化的關系。,考點二,考點三,考點一,考點二,考點三,考點一,【名師點睛】此類創(chuàng)新實驗的解題心得: 不管實驗如何創(chuàng)新,都要從實驗原理出發(fā)理解實驗的設計,就是怎么測出物體受到的合力、物體的位移,計算出合力對物體做的功,怎么測出小車的速

16、度,測出小車的質(zhì)量,計算出小車的動能,然后比較合力做功與動能改變的關系在誤差允許的范圍內(nèi)是否相等。,考點二,考點三,考點一,(2015山東棗莊八中模擬)某探究學習小組的同學欲驗證“動能定理”,他們在實驗室組裝了一套如圖1所示的裝置:水平軌道上安裝兩個光電門,小車上固定有力傳感器和擋光板,細線一端與力傳感器連接,另一端跨過定滑輪掛上砝碼盤。實驗時,保持軌道和細線水平,通過調(diào)整砝碼盤里砝碼的質(zhì)量讓小車做勻速運動實現(xiàn)平衡摩擦力。,考點二,考點三,考點一,考點二,考點三,考點一,1.在“探究動能定理”的實驗中,關于橡皮筋做的功,下列說法中正確的是 ( B ) A.橡皮筋做的功可以直接測量 B.通過增加橡皮筋的條數(shù)可以使橡皮筋對小車做的功成整數(shù)倍增加 C.橡皮筋在小車運動的全過程中始終做功 D.把橡皮筋拉伸為原來的兩倍,橡皮筋做功增加為原來的兩倍,2.在“探究功與物體速度變化的關系”的實驗中,某實驗探究小組的實驗裝置如圖甲所示。木塊從A點靜止釋放后,在1根彈簧作用下彈出,沿足夠長的木板運動到B1點停下,O點為彈簧原長時所處的位置,測得OB1的