2020版高考物理复习第五章实验五探究动能定理讲义（含解析）教科版.docx

实验五探究动能定理1实验目的探究功与物体速度变化的关系2实验原理(如图1所示)图1(1)一根橡皮筋作用在小车上移动距离s做功为W.(2)两根橡皮筋作用在小车上移动距离s做功应为2W.(3)三根橡皮筋作用在小车上移动距离s做功应为3W.(4)利用打点计时器求出小车离开橡皮筋时的速度，列表、作图，由图像可以确定功与速度变化的关系3实验器材橡皮筋、小车、木板、打点计时器、纸带、铁钉、刻度尺等4实验步骤(1)垫高木板的一端，平衡摩擦力(2)拉伸的橡皮筋对小车做功：用一条橡皮筋拉小车做功W.用两条橡皮筋拉小车做功2W.用三条橡皮筋拉小车做功3W.(3)测出每次做功后小车获得的速度(4)分别用各次实验测得的v和W绘制Wv或Wv2、Wv3、图像，直到明确得出W和v的关系5实验结论物体速度v与外力做功W间的关系Wmv2.1实验注意事项(1)将木板一端垫高，使小车的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做匀速运动，找到长木板的一个合适的倾角(2)测小车速度时，应选纸带上的点迹均匀的部分，也就是选小车做匀速运动的部分(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)小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些2实验探究的技巧与方法(1)不直接计算W的数值，而只是看第2次、第3次实验中的W是第1次的多少倍，简化数据的测量和处理(2)作Wv图像，或Wv2、Wv3图像，直到作出的图像是一条倾斜的直线.命题点一教材原型实验例1(2018河南省周口市期末)某实验小组采用如图2甲所示的实验装置来探究功与速度变化的关系图2(1)下列关于该实验的说法正确的是_A长木板上有打点计时器的一端要适当垫高，以平衡小车运动过程中受到的摩擦力B实验时必须设法算出橡皮筋对小车做功的具体值C实验中，橡皮筋拉伸的长度没有必要完全相同D应先接通电源，再让小车在橡皮筋的作用下弹出(2)在正确操作的情况下，该小组某次所打的纸带如图乙所示为了测量橡皮筋做功后小车获得的速度，应选用纸带上的_段进行测量(填“AB”、“BC”或“AC”)；若使用的交流电的频率为50Hz，则小车最终获得的速度是_m/s.答案(1)AD(2)BC0.65解析(1)实验时，由于小车与木板间有摩擦，需将长木板上有打点计时器的一端适当垫高，平衡摩擦力，故A正确；橡皮筋对小车做的功无法直接测量，所以是通过改变橡皮筋的条数的方法来改变功，为了让橡皮筋的功能有倍数关系就要求将橡皮筋拉到同一位置处，故B、C错误；实验时先接通电源，再释放小车，故D正确；(2)为了测量橡皮筋做功后小车获得的速度，要测量最大速度，应该选用点迹均匀的部分，即BC段，小车的最终速度vm/s0.65 m/s.变式1(2018宁夏银川一中一模)某同学利用如图3所示的装置探究做功与速度变化的关系图3(1)小物块在橡皮筋的作用下弹出，沿水平桌面滑行，之后平抛落至水平地面上，落点记为M1；(2)在钉子上分别套上2条、3条、4条同样的橡皮筋，使每次橡皮筋拉伸的长度都保持一致，重复步骤(1)，小物块落点分别记为M2、M3、M4；(3)测量相关数据，进行数据处理为求出小物块抛出时的动能，需要测量下列物理量中的_(填正确答案标号)A小物块的质量mB橡皮筋的原长xC橡皮筋的伸长量xD桌面到地面的高度hE小物块抛出点到落地点的水平距离L将几次实验中橡皮筋对小物块做功分别记为W1、W2、W3、，小物块抛出点到落地点的水平距离分别记为L1、L2、L3、.若功与速度的平方成正比，则应以W为纵坐标、_为横坐标作图，才能得到一条直线由于小物块与桌面之间的摩擦不能忽略，则由此引起的误差属于_(填“偶然误差”或“系统误差”)答案(3)ADEL2系统误差解析(3)小物块离开桌面后做平抛运动，由桌面到地面的高度hgt2，可计算出平抛运动的时间，再根据小物块抛出点到落地点的水平距离Lv0t，可计算出小物块离开桌面时的速度，根据动能的表达式Ekmv，还需要知道小球的质量，故A、D、E正确，B、C错误根据hgt2和Lv0t，可得vL2，因为功与速度的平方成正比，所以功与L2正比，故应以W为纵坐标、L2为横坐标作图，才能得到一条直线一般来说，从多次测量揭示出的实验误差称为偶然误差，不能从多次测量揭示出的实验误差称为系统误差由于小物块与桌面之间的摩擦不能忽略，则由此引起的误差属于系统误差命题点二实验装置的创新1装置时代化2求解智能化(1)摩擦阻力问题：靠小车重力的下滑分力平衡摩擦力自由下落阻力减少气垫导轨减少摩擦力(2)速度的测量方法：匀速运动速度测量纸带上各点速度光电门v速度传感器直接显示速度大小创新点1实验装置的创新利用重物牵引小车例2(2017北京理综21)如图4所示，用质量为m的重物通过滑轮牵引小车，使它在长木板上运动，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”的实验图4(1)打点计时器使用的电源是_(选填选项前的字母)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_(选填选项前的字母)A把长木板右端垫高B改变小车的质量在不挂重物且_(选填选项前的字母)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(3)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.在纸带上依次取A、B、C若干个计数点，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5所示图5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O点到打B点的过程中，拉力对小车做的功W_，打B点时小车的速度v_.(4)以v2为纵坐标，W为横坐标，利用实验数据作出如图6所示的v2W图像由此图像可得v2随W变化的表达式为_根据功与能的关系，动能的表达式中可能包含v2这个因子，分析实验结果的单位关系，与图线斜率有关的物理量应是_图6(5)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，图中正确反映v2W关系的是_答案(1)B(2)AB(3)mgx2(4)v24.7W质量(5)A解析(1)打点计时器使用交流电源(2)平衡摩擦力的方法为将木板一端垫高，使得重力沿木板方向的分力与摩擦力和其他阻力平衡，使小车做匀速直线运动；判断小车做匀速直线运动是根据纸带上相邻点间的距离相等判定，故需计时器打点(3)拉力大小为mg，O到B位移为x2，根据功的公式得Wmgx2.由于小车做匀加速直线运动，B点为AC的时间中点，AC段的平均速度等于B点的瞬时速度，即v.(4)因v2W图像为直线，则设v2kWb，由题图读出b0.005，在直线上任取两个相距较远的点，可得：k4.7，在作图误差允许的范围内表达式可写成v24.7W.由等式两端的物理量单位可知，左侧单位m2s2，右侧W单位为J.所以k的单位为，所以与斜率有关的物理量是质量(5)设小车质量为M，以重物与小车整体为研究对象，则a，设小车滑行x时速度为v，则v202ax.可得v2mgx.实验中认为Wmgx，所以v2W，m与M为定值，故A正确创新点2实验装置的创新利用光电门和气垫导轨例3(2018湖南省长沙市雅礼中学模拟二)某学习小组利用如图7所示的装置验证动能定理图7(1)将气垫导轨调至水平，安装好实验器材，从图中读出两光电门中心之间的距离s_cm.(2)测量挡光条的宽度d，记录挡光条通过光电门1和2所用的时间t1和t2，并从拉力传感器中读出滑块受到的拉力F，为了完成实验还需要直接测量的一个物理量是_；(3)该实验是否需要满足砝码盘和砝码的总质量远小于滑块、挡光条和拉力传感器的总质量_(填“是”或“否”)答案(1)50.00(2)滑块、挡光条和拉力传感器的总质量M(3)否解析(1)光电门1处刻度尺读数为：23.00cm，光电门2处刻度尺读数为：73.00cm，故两光电门中心之间的距离s73.00cm23.00cm50.00cm；(2)滑块通过光电门1的速度为：v1滑块通过光电门2的速度为：v2根据功能关系需要验证的关系式为：FsMvMvM2M2可见还需要测量出M，即滑块、挡光条和拉力传感器的总质量；(3)该实验中由于已用传感器测出绳子拉力大小，不是将砝码和砝码盘的重力作为滑块受到的拉力，故不需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于滑块、挡光条和拉力传感器的质量创新点3实验装置的创新利用传感器例4(2018湖南省常德市模拟)某学习小组用图8甲所示的实验装置探究“动能定理”他们在气垫导轨上安装了一个光电门B，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从A处由静止释放图8(1)某同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d，如图乙所示，则d_mm.(2)下列实验要求中不必要的一项是_(请填写选项前对应的字母)A应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量B应使A位置与光电门间的距离适当大些C应将气垫导轨调至水平D应使细线与气垫导轨平行(3)实验时保持滑块的质量M和A、B间的距离L不变，改变钩码质量m，测出对应的力传感器的示数F和遮光条通过光电门的时间t，通过描点作出线性图像，研究滑块动能变化与合外力对它所做功的关系，处理数据时应作出的图像是_(填写选项前对应的字母)At图像B.F图像Ct2图像D.F2图像答案(1)2.30(2)A(3)C解析(1)由题图知d2mm60.05mm2.30mm.(2)拉力是直接通过力传感器测量的，故A不必要；应使A位置与光电门的距离适当大些，有利于减小误差，故B是必要的；应将气垫导轨调节水平，保持细线与气垫导轨平行，这样拉力才等于合力，故C、D是必要的(3)根据牛顿第二定律：FMa，滑块通过光电门的速度为：v，根据运动学公式：v22ax，代入可得：22L，解得：t2，所以处理数据时应做出t2的图像，故选C.命题点三实验方案的创新例5为了探究动能变化与合外力做功的关系，某同学设计了如下实验方案：第一步：把长木板附有滑轮的一端垫起，把质量为M的滑块通过细绳与质量为m的带夹子的重锤跨过定滑轮相连，重锤后连一穿过打点计时器的纸带，调整木板倾角，直到轻推滑块后，滑块沿木板向下匀速运动，如图9甲所示第二步：保持长木板的倾角不变，将打点计时器安装在长木板靠近滑轮处，取下细绳和重锤，将滑块与纸带相连，使纸带穿过打点计时器，然后接通电源，释放滑块，使之从静止开始向下加速运动，打出纸带，如图乙所示打出的纸带如图丙所示图9请回答下列问题：(1)已知O、A、B、C、D、E、F相邻计数点间的时间间隔为t，O点为打点计时器打下的第一点，根据纸带求滑块运动的速度，打点计时器打B点时滑块运动的速度vB_.(2)已知重锤质量为m，当地的重力加速度为g，要测出某一过程合外力对滑块做的功还必须测出这一过程滑块_(写出物理量名称及符号，只写一个物理量)，合外力对滑块做功的表达式W合_.(3)算出滑块运动OA、OB、OC、OD、OE段合外力对滑块所做的功W以及在A、B、C、D、E各点的速度v，以v2为纵轴、W为横轴建立直角坐标系，描点作出v2W图像，可知该图像是一条_，根据图像还可求得_答案(1)(2)下滑的位移xmgx(3)过原点的直线滑块的质量M解析(1)由打出的纸带可知打B点时的速度为vB；(2)由题知撤去重锤后，滑块下滑时受到的合力等于重锤的重力，只要知道滑块下滑的位移x就可得合力所做的功，Wmgx；(3)由动能定理得WMv2，若描点作出v2W图像，则其为一条过坐标原点的倾斜直线，直线斜率k，故可求滑块质量M.变式2(2018山东省枣庄市期末质量检测)某同学为验证“动能定理”设计了如图10甲所示的实验装置：用一个电磁铁吸住一个小钢球；当将电磁铁断电后，小钢球由静止开始向下加速运动；小钢球经过光电门时，计时装置将记录小钢球通过光电门所用的时间t，用游标卡尺测出小钢球的直径d，用直尺测量出小钢球由静止开始下降至光电门时的高度h，当地的重力加速度为g，那么图10(1)测量小钢球的直径结果如图乙所示，则小钢球的直径d_cm.(2)忽略空气阻力的影响，该同学验证“动能定理”的表达式为_(用题中字母表示)(3)如果用这套装置验证机械能守恒定律，下面的做法能提高实验精度的是_A在保证其他条件不变的情况下，减小小球的直径B在保证其他条件不变的情况下，增大小球的直径C在保证其他条件不变的情况下，增大小球的质量D在保证其他条