实验五 探究动能定理\n必备知识·自主排查关键能力·分层突破\n必备知识·自主排查\n一、基本原理与操作原理装置图操作要领思路：1．拉伸的橡皮筋对小车做功(1)用1条橡皮筋拉小车——做功W(2)用2条橡皮筋拉小车——做功2W(3)用3条橡皮筋拉小车——做功3W2．测出每次做功后小车获得的速度v(1)平衡：垫高木板的一端，平衡摩擦力(2)做功①用一条橡皮筋拉小车——做功W②用两条橡皮筋拉小车——做功2W③用三条橡皮筋拉小车——做功3W(3)小车：靠近打点计时器且接通电源再释放小车；每次小车须由同一位置由静止弹出(4)测速：测出每次做功后小车获得的速度\n二、数据处理1．选点测速如图，选取纸带上点迹均匀的部分，根据v＝测算出橡皮筋的弹力做功结束时小车的速度，与对应条数橡皮筋做的功记录在设计的表格中，并计算出v2、v3等的值．\n2．分析数据，得出结论根据数据分别作Wv、Wv2、Wv3等图象．其中Wv2图象如下：实验结论：Wv2图象为一条过原点的直线，可判断W∝v2.●注意事项1．平衡摩擦力时，将木板一端垫高，使小车重力沿木板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．测小车的速度时，应选纸带上的点均匀分布的部分．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．小车的质量应大一些，使纸带上打的点多一些．\n●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．\n关键能力·分层突破\n考点一 教材原型实验例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．\n(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．刻度尺交流DGK\n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．\n跟进训练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…(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C\n(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0.02s，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__________．1.22D\n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＝m/s＝1.22m/s.(3)由，知D正确．\n考点二 拓展创新实验例2.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“合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.\n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)大于(F0＋FA)sA(F0＋FA)sA－msA＝\n(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．右直线\n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＝.(3)克服摩擦力做功Wf＝msA，由动能定理(F0＋FA)sA－msA＝.(4)平衡摩擦力，右端垫高，匀速运动：xt图象为直线．\n跟进训练2.[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数据如图(b)所示．\n已知打出图(b)中相邻两点的时间间隔为0.02s，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__________________．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＝×10－2m/s＝0.36m/s；同理打下P点时小车的速度为vP＝×10－2m/s＝1.80m/s.在验证动能定理时，如果选取B到P的过程，则由mgxBP＝可知，要验证动能定理还需要求得B、P两点间的距离．0.361.80B、P之间的距离\n3．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：\n①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．mgHmgh1\n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＝－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－μmgLcosθ＝0，且Lcosθ＝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′cosα，且L′cosα＝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＝h，故图线斜率k＝.
