2022届高考物理一轮复习实验五探究动能定理学案新人教版

word 文档 - 1 - / 14 实验五 探究动能定理 实验溯本求源 ●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． word 文档 - 2 - / 14 ●注意事项 1．平衡摩擦力：将木板一端垫高，使小车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匀速运动，找到木板一 个合适的倾角． 2．选点测速：测小车速度时，纸带上的点应选均匀部分的，也就是选小车做匀速运动状 态的． 3．橡皮筋的选择：橡皮筋规格相同时，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． 实验热点探究 热点一 教材原型实验 题型 1|实验原理与操作 例 1 某学习小组做探究“合力的功和物体速度变化的关系”的实验，下图中小车是在 1 条橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行，这时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，使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由打点计时器所打的纸带测出． (1)除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、________(填测量工具)和________(选 word 文档 - 3 - / 14 填“交流”或“直流”)电源． (2)实验中，小车会受到摩擦阻力的作用，可以使木板适当倾斜来平衡掉摩擦阻力，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)在正确操作情况下，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 选用下图中纸带的________部分进行测量． 题型 2|数据处理及误差分析 例 2 用图 1 所示装置做“探究功与速度变化的关系”实验． word 文档 - 4 - / 14 (1)若将木板水平放置，小车在橡皮筋作用下加速，当小车刚好达到最大速度时，下列说 法正确的是________(填写选项前的字母标号)． A．橡皮筋处于原长状态 B．橡皮筋仍处于伸长状态 C．小车恰好过两个铁钉的连线 D．小车已过两个铁钉的连线 (2)若将木板带有打点计时器的一端适当垫高，利用小车沿斜面的重力分量消除掉阻力的 影响，再进行正确的实验操作，获得实验所需的纸带．在图 2 两条纸带中，最符合实验事实 的是________(填写纸带下方的字母标号)． (3)若将一根橡皮筋对小车做的功记为 W0，两条、三条．..同样的橡皮筋并在一起拉伸同 样的长度对小车做的功记为 2W0、3W0…，计算出小车对应的最大速度 v，取Δv2＝v2－0，横 坐标以 W0 为单位，绘出Δv2W 图线，理论上是过原点的一条直线．但某次实验得到的图线 却不过原点，如图 3 所示，造成这一偏差的原因是：在垫高木板带有打点计时器一端时，木 板的倾斜角度________(选填“偏大”或“偏小”) 练 1 探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系，实验装置如图 1 所示．实 验过程中有平衡摩擦力的步骤，并且设法让橡皮筋对小车做的功以整数倍增大，即分别为 W0、 2W0、3W0、4W0… word 文档 - 5 - / 14 (1)实验中首先通过调整木板倾斜程度平衡摩擦力，目的是__________(填写字母代号)． A．为了释放小车后小车能做匀加速运动 B．为了增大橡皮筋对小车的弹力 C．为了使橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功 D．为了使小车获得较大的动能 (2)图 2 是在正确操作情况下打出的一条纸带，从中截取了测量物体最大速度所用的一部 分，已知相邻两打点时间间隔为 0.02 s，则小车获得的最大速度 vm＝__________ m/s(保留 3 位有效数字)． (3)几名同学在实验中分别得到了若干组橡皮筋对小车做的功 W 与小车获得的最大速度 vm 的数据，并利用数据绘出了下列给出的四个图象，你认为其中正确的是__________． 热点二 实验拓展创新 题型 1|利用长木板、重物牵引小车装置验证动能定理 例 3 [2020·全国卷Ⅲ，22]某同学利用图(a)所示装置验证动能定理．调整木板的倾角平衡 摩擦阻力后，挂上钩码，钩码下落，带动小车运动并打出纸带．某次实验得到的纸带及相关 word 文档 - 6 - / 14 数据如图(b)所示． 已知打出图(b)中相邻两点的时间间隔为 0.02 s，从图(b)给出的数据中可以得到，打出 B 点时小车的速度大小 vB＝____________ m/s，打出 P 点时小车的速度大小 vP＝____________ m/s.(结果均保留 2 位小数) 若要验证动能定理，除了需测量钩码的质量和小车的质量外，还需要从图(b)给出的数据 中求得的物理量为__________________． 题型 2|利用光电门探究动能定理 例 4 [2020·某某某某中学模拟]某实验小组用图甲所示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，将长木板倾斜放置，一端 P 固定在水平桌面边 缘处，另一端放置在铁架台的铁杆上，忽略长木板厚度，P 处放置一光电门计时器．实验步骤 如下： word 文档 - 7 - / 14 ①用游标卡尺测出滑块的挡光片宽度 l，用天平测出含挡光片的滑块的质量 m； ②以长木板放置在水平桌面上的一端为轴，调节长木板在铁架台上的放置位置，使滑块 恰好沿长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 桌面的高度 H； ③保持长木板 P 端与桌面接触位置不变，长木板另一端放置在铁架台竖直杆 Q2 位置处．用 刻度尺量出 Q1、Q2 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滑块的挡 光时间 t1； ④保持长木板 P 端与桌面接触位置不变，重新调节长木板另一端在铁架台上的放置位置， 重复步骤③数次． (1)滑块沿长木板由 Q2 运动到 P 的过程中，用测量的物理量表示下列物理量(已知重力加 速度为 g)：滑块动能的变化量ΔEk＝________，滑块克服摩擦力做的功 WFf＝________，合力对 滑块做的功 W 合＝________. (2)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，以滑块通过光 电门的挡光时间的平方的倒数 为纵坐标，根据测量数据画出如图乙所示图线，若图线过原点， 且图线斜率 k＝________，则能证明合外力做的功等于滑块动能增量． 题型 3 实验的拓展——探究弹性势能与形变量的关系 例 5 [2020·某某模拟]为探究弹簧的弹性势能与形变量的关系和测量滑块与水平桌面间的 动摩擦因数，某实验小组设计了如图甲所示的装置，弹簧的左端固定在水平桌面上，弹簧右 word 文档 - 8 - / 14 端原长位置处固定一光电门，滑块上固定一个遮光条，已知滑块连同遮光条的总质量为 m， 当地的重力加速度为 g. (1)先用螺旋测微器测出遮光条的宽度 d 如图乙所示，则 d＝________ mm. (2)用滑块(与弹簧不拴接)向左压缩弹簧，并用刻度尺测量其压缩量 x，松手后遮光条通过 光电门的时间为 t，测得滑块停下的位置到光电门的距离为 s，则滑块与水平桌面间的动摩擦 因数μ＝____________(用题中的字母表示)． (3)压缩弹簧时弹簧的弹性势能与形变量间的关系为 Ep＝________(用题中的字母表示)． 练 2 [2020·学业水平等级考试]如图甲所示，用质量为 m 的重物通过绕过滑轮的绳子牵 引小车，使小车在长木板上运动，用打点计时器在纸带上记录小车的运动情况，利用该装置 可以完成“探究动能定理”的实验． (1)打点计时器使用的电源是________(填选项前的字母)． A．直流电源 B．交流电源 (2)实验中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正确操作方法是________(填选项前的字母)． A．把长木板右端垫高 B．改变小车的质量 (3)在不挂重物且________(填选项前的字母)的情况下，轻推一下小车，若小车拖着纸带做 word 文档 - 9 - / 14 匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响． A．计时器不打点 B．计时器打点 (4)接通电源，释放小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，将打下的第一个点标为 O， 在纸带上依次标 A、B、C、…若干计数点，已知相邻计数点间的时间间隔为 T，测得 A、B、 C、…各点到 O 点的距离为 x1、x2、x3、…，如图乙所示． 实验中，重物质量远小于小车质量，可认为小车所受的拉力大小为 mg，从打点计时器打 O 点到打 B 点的过程中，拉力对小车做的功为 W＝________，打 B 点时小车的速度 v＝________. (5)以 v2 为纵坐标，W 为横坐标，利用实验数据作出如图丙所示的 v2W 图象．由此图象 可得 v2 随 W 变化的数学表达式为________________，根据物理量之间的单位关系，可知与图 线斜率有关的物理量应是________． (6)假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响，若重物质量不满足远小于小车质量的 条件，则从理论上分析，下列选项中正确反映 v2W 关系的是________． word 文档 - 10 - / 14 练 3 某实验小组利用图(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 m. 回答下列问题： (1)由图(b)可知：图(a)中 A 位置到力传感器的距离________(填“小于”“等于”或“大于”) 弹簧原长； (2)在小车从 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ΔEk＝____________________；(表达式用题中已知物理量的符号表示) (3)甲同学在分析实验数据后，还补充了如下实验：将弹簧从小车上卸下，给小车一初速 度，让小车从轨道右端向左端运动，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，则他要探究关系式________________________是否成立；(关系式用题中已知 物理量的符号表示) (4)乙同学反思整个实验过程提出了自己的方案：在实验开始时，小车不连接弹簧，将图(a) 中轨道________(填“左”或“右”)端垫高至合适位置，让小车在轨道上获得一初速度开始运 动，若计算机监测到的小车位移—时间图线是________，即表明轨道倾角调整到位，再实施题 中所述实验步骤，而无需做甲同学补充的实验． word 文档 - 11 - / 14 实验五 探究动能定理 实验热点探究 例 1 解析：(1)为测量小车获得的速度，必须用刻度尺来测量纸带上点和点之间的距离； 打点计时器必须使用交流电源． (2)平衡摩擦力时，也要平衡掉纸带与限位孔之间的摩擦力．根据平衡状态的特点，小车 做匀速运动时即平衡掉了摩擦力． (3)应该选用纸带上小车做匀速运动的部分进行测量，此时小车的速度最大，即 GK 部分． 答案：(1)刻度尺 交流 (2)D (3)GK 例 2 解析：(1)木板水平，没有平衡摩擦力，小车受到的合力等于橡皮筋的拉力与摩擦 力的合力，当小车所受合力为 0 时速度最大，此时橡皮筋仍然有拉力，橡皮筋仍然是伸长的， 此时小车没有到达两铁钉连线处，故 A、C、D 三项错误，B 项正确； (2)平衡摩擦力，释放小车后，小车先做加速度减小的加速运动，后做匀速直线运动，由 图示纸带可知，纸带 A 先做匀加速直线运动后做匀速直线运动，纸带 B 先做加速度减小的加 速运动后做匀速直线运动，与事实相符的是纸带 B. (3)由动能定理可知，合力做功等于物体动能的变化量，由图示图象可知，图象在纵轴上 word 文档 - 12 - / 14 有截距，这说明小车动能的增量大于橡皮筋拉力做功，这可能是由于平衡摩擦力时木板倾角 过大，小车受到的合力大于橡皮筋拉力造成的． 答案：(1)B (2)B (3)偏大 练 1 解析：(1)实验目的是探究合外力做功与物体速度的关系，平衡摩擦力后，橡皮筋 对小车做的功等于合外力对小车做的功． (2)由图可知，小车先做加速度变化的加速运动，后做匀速运动．当小车做匀速运动时， 小车获得的速度最大，即 vm＝ ‸㠲㠲 × 0 0‸0 m/s＝1.22 m/s. (3)由 W∝ ，知 D 正确． 答案：(1)C (2)1.22 (3)D 例 3 解析：打下 B 点的时刻为打下与 B 点相邻左、右两点的中间时刻，则打下 B 点时 小车的速度应为这两点间小车的平均速度，即 vB＝ 㠲‸00‸െ 0‸0㠲 ×10－2 m/s＝0.36 m/s；同理打下 P 点时小车的速度为 vP＝ െ͹‸Ǥെ0‸ 0‸0㠲 ×10－2 m/s＝1.80 m/s.在验证动能定理时，如果选取 B 到 P 的过程，则由 mgxBP＝ (M＋m) － (M＋m) 可知，要验证动能定理还需要求得 B、P 两 点间的距离． 答案：0.36 1.80 B、P 之间的距离 例 4 解析：(1)由于挡光片宽度很小，可近似认为滑块通过光电门的速度 v＝ ，滑块(含 挡光片)动能的变化量ΔEk＝ mv2－0＝ .滑块从 Q1 释放匀速下滑时，设长木板的倾角为θ， Q1P 长度为 L，P 到铁架台竖直杆的距离为 x，由动能定理有 mgH－μmgLcos θ＝0，且 Lcos θ＝x，得μmgx＝mgH；滑块从 Q2 释放时，设长木板的倾角为α，Q2P 长度为 L′，则滑块克 服摩擦力做的功为 WFf＝μmgL′cos α，且 L′cos α＝x，故 WFf＝mgH.合力做的功 W 合＝ mg(H＋h1)－WFf＝mgh1. (2)由动能定理有 W 合＝ΔEk，即 mgh＝ ，整理得 ＝ g h，故图线斜率 k＝ g . word 文档 - 13 - / 14 答案：(1) mgHmgh1 (2) g 例 5 解析：(1)由图可知遮光条的宽度为 d＝0.0＋31.0×0.01 mm＝0.310 mm； (2)滑块经过光电门时的速度为 v＝ ，根据动能定理有 0－ mv2＝－μmgs，则可知动摩 擦因数为μ＝ g ＝ g ； (3)从松手后，到滑块停下来的过程中，根据功能关系可知 Ep＝μmg(x＋s)，则可得压缩 弹簧时弹簧的弹性势能与形变量间的关系式为 Ep＝ (x＋s)． 答案：(1)0.310 (2) g (3) (x＋s) 练 2 解析：(1)打点计时器使用交流电源，选项 B 正确． (2)在平衡摩擦力和其他阻力时，通过垫高木板右端，构成斜面，使重力沿斜面向下的分 力与摩擦力和其他阻力平衡，选项 A 正确． (3)平衡摩擦力时需要让打点计时器工作，通过纸带上打出的点迹，判断小车的运动是否 为匀速直线运动，选项 B 正确． (4)小车拖动纸带移动的距离等于重物下落的距离，因此拉力对小车做的功为 W＝mgx2. 小车做匀变速直线运动，因此打 B 点时小车的速度 v＝ . (5)由图乙可知，图线的斜率 k＝Δ Δ ＝4.6 m2/(s2·J)，纵截距 b＝0.01 m2/s2，则 v2 随 W 变化的数学表达式为 v2W.v2 的单位是 m2/s2，W 的单位可写成 kg·m2/s2，则 k 的单位为 kg －1，所以斜率应与质量有关． (6)若重物质量 m 不满足远小于小车质量 M 的条件，则绳子对小车的拉力实际不等于重 物的重力，由 mg＝(M＋m)a 和 F＝Ma 可得 F＝ 香 mg，由动能定理可得 Fx＝ Mv2，解得 v2＝ x＝ g 香 x，而 W＝mgx，故 v2＝ 香 W，则 v2W 图线的斜率 k＝ 香 ，重物质量 m 与 小车质量 M 不变，斜率不变，选项 A 正确． word 文档 - 14 - / 14 答案：(1)B (2)A (3)B (4)mgx2 (5)v2W 质量 (6)A 练 3 解析：(1)O 到 A 弹簧被拉长，则距离大于弹簧长度； (2)变力 F 做功为 Fs 图象围成面积 W＝ (FA＋F0)sA， 小车动能的改变量为：ΔEk＝ m . (3)摩擦力做功 Wf＝m 0 sA，由动能定理 (F0＋FA)sA－m 0 sA＝ m . (4)平衡摩擦力，右端垫高，匀速运动：xt 图象为直线． 答案：(1)大于 (2) (F0＋FA)sA m (3) (F0＋FA)sA－m 0 sA＝ m (4)右 直线