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2014届高考物理第一轮复习指导课件机械能5


第五章

机械能

第五讲

实验:探究动能定理

? 一、实验目的 ? 1.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.

? 二、实验原理 ? 1.不是直接测量对小车做功,而是通过改变 橡皮筋条数确定对小车做功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. ? 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曲线,分析这条 曲线,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.

? 三、实验器材 ? 小车(前面带小钩)、100 g~200 g砝码、长木 板,两侧适当的对称位置钉两个铁钉、打点计 时器及纸带、学生电源及导线(使用电火花计 时器不用学生电源)、5~6条等长的橡皮筋、 刻度尺.

? 四、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.
Zx x k

五、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): 1、 2 间的距离 x, A A 小车速度的表达式为(用 x 测量的物理量表示)v=T(T 为打点计时器的时间间隔).

? 2.实验数据记录
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 ? ①观察法:当橡皮筋的条数成倍增加,即合外 力做的功成倍增加时,观察小车的速度或速度 的平方如何变化,有何变化规律.

? ②图象法:在坐标纸上(如图)画出W-v或W-v2
图线(“W”以一根象皮筋做的功为单位).

? 4.实验结论:从图象可知做功与物体速度变 化的关系为W∝v2.

? 六、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.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.

? 七、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. ? 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.
Zx x k

? 实验原理及操作 ? “探究动能定理”的实验装置如图1 所示,当小车在两条橡皮筋作用下弹出时,橡 皮筋对小车做的功记为W0.当用4条、6条、8 条?完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、 第3次、第4次?实验时,橡皮筋对小车做的功 记为2W0、3W0、4W0?,每次实验中由静止弹 出的小车获得的最大速度可由打点计时器所打 的纸带测出.

图1

? (1)关于该实验,下列说法正确的是 ? A.打点计时器可以用直流电源供电,电压为 4~6 V ? B.实验中使用的若干根橡皮筋的原长可以不 相等 ? C.每次实验中应使小车从同一位置由静止弹 出 ? D.利用每次测出的小车最大速度vm和橡皮筋 做的功W,依次作出W-vm、W-v、W-v、

? (2)图2给出了某次在正确操作情况下打出的 纸带,从中截取了测量物体最大速度所用 的一段纸带,测得O点到A、B、C、D、E各 点的距离分别为OA=5.65 cm,OB=7.12 cm,OC=8.78 cm,OD=10.40 cm,OE= 11.91 cm.已知相邻两点打点时间间隔为0.02 s,则小车获得的最大速度vm=______m/s.
图2

解析:(1)打点计时器一定用交流电源,A 错误;实验中一 定要用相同的橡皮筋,B 错误;每次实验中,应使小车从同一 位置由静止弹出,C 正确;在探究小车最大速度和橡皮筋做功 W 的关系时,要作出各种不同的可能关系图象,得出合力做功 与物体速度变化的关系,D 正确. (2)小车获得的最大速度应该用纸带上点间距相等段求解, 在图中纸带上应用 B、D 段求小车的最大速度. OD-OB ?10.40-7.12?×10 2 vm= = m/s=0.82 m/s. 2T 2×0.02


答案:(1)CD

(2)0.82

? 实验数据处理及误差分析 ? 某同学用如图甲所示的实验装置探究 小车动能变化与合外力对它所做功的关系.图 中A为小车,连接在小车后面的纸带穿过打点 计时器B的限位孔,它们均置于水平放置的一 端带有定滑轮的足够长的木板上,C为弹簧测 力计,不计绳与滑轮的摩擦.实验时,先接通 电源再松开小车.打点计时器在纸带上打下一 系列点.
Z xx k



? (1)该同学在一条比较理想的纸带上,从点 迹清楚的某点开始记为0点,顺次选取5个 点,分别测量这5个点到0之间的距离,并 Δv2/(m2·s-2) x/cm 点迹 计算出它们与0点之间的速度平方差Δv2(Δv2 0 / / =v2-v),填入下表:
1 1.60 0.04

2 3 4 5

3.60 6.00 7.00 9.20

0.09 0.15 0.18 0.23

? 请以Δv2为纵坐标,以x为横坐标在图乙方格 纸中作出Δv2-x图象.若测出小车质量为0.2 kg,结合图象可求得小车所受的合外力的 大小为________N.

? (2)若该同学通过计算发现小车所受合外力 小于测力计读数,明显超出实验误差的正 常范围.你认为主要原因是 _____________________________________ ______________, ? 实验操作中改进的措施是 ____________________.

? 解析:(1)根据表中数据在Δv2-x坐标系中描 点,然后用直线连接各点,如图所示.

由动能定理得: 1 2 F 合· m(v2-v0) x= 2 2F合 所以:Δv = m x,
2

由图象得:k=2.5, 2F合 再由 k= m 得: km F 合= =0.25 N. 2

? (2)测力计测的是细绳的拉力,小车还受到水 平向左的摩擦力,因此小车受的合力小于测力 计的读数.在木板左端垫上一个小木块,使左 端稍微高一点,以平衡摩擦力. ? 答案:(1)图象见解析 0.25 ? (2)小车滑行时所受摩擦阻力较大 使木板倾 斜一定的角度以平衡摩擦力
Zx x k

? 实验创新设计

?

在追寻科学家研究足迹的过程中, 某同学为探究恒力做功和物体动能变化间 的关系,采用了如图甲所示的“探究物体 加速度与物体质量、受力之间关系”的实 验装置.

? (1)实验时,该同学想用钩码的重力表示滑块 受到的合力,为了减小这种做法带来的实验误 差,你认为在实验中应该采取的两项措施是 ________和________. ? (2)如图乙所示是实验中得到的一条纸带,其 中A、B、C、D、E、F是连续的六个计数点, 相邻计数点间的时间间隔为T,相邻计数点间 距离已在图中标出,测出滑块的质量为M,钩 码的总质量为m.从打B点到打E点的过程中, 为达到实验目的,该同学应该寻找________和 ________之间的数值关系(用题中和图中的物

解析:(1)只有钩码的总质量远小于滑块质量且平衡摩擦力 才能实现钩码的重力近似等于滑块所受合力. (2)实验的目的就是探究恒力做功和物体动能变化之间的关 1 系,从 B 到 E,恒力做功即 mg(Δx2+Δx3+Δx4),动能变化 2
?Δx4+Δx5? ? ? ? ?2 1 ?Δx1+Δx2?2 M? - M ,所以需要寻找它们之间的关系. 2T ? 2 ? 2T ? ? ? ? ?

答案:(1)保证钩码的总质量远小于滑块的质量 力 (2)mg(Δx2+Δx3+Δx4) 1 ?Δx4+Δx5?2 1 ?Δx1+Δx2?2 ? ? M? - M? 2 ? 2T ? 2 ? 2T ? ? ? ? ?

平衡摩擦

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