【步步高】2020年高考物理大一輪 實(shí)驗(yàn)五 探究動(dòng)能定理 新人教版必修2

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1、實(shí)驗(yàn)五　探究動(dòng)能定理 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1．通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究外力對(duì)物體做功與物體速度變化的關(guān)系． 2．通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出做功與物體速度的平方的正比例關(guān)系． 二、實(shí)驗(yàn)原理 探究圖1 功與速度變化的關(guān)系，可通過(guò)改變力 對(duì)物體做的功，測(cè)出力對(duì)物體做不同的功 時(shí)物體的速度，為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)可將物體初速 度設(shè)置為零，可用圖1所示的裝置進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)，通過(guò)增加橡皮筋的條數(shù)使橡皮筋對(duì)小 車(chē)做的功成倍增加，再通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶來(lái)測(cè)量每次實(shí)驗(yàn)后小車(chē)的末速度v. 三、實(shí)驗(yàn)器材 小車(chē)(前面帶小鉤)、100 g～200 g砝碼、長(zhǎng)木板(兩側(cè)適當(dāng)?shù)膶?duì)稱(chēng)位置釘兩個(gè)鐵釘)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器及紙帶、學(xué)生電

2、源及導(dǎo)線(使用電火花計(jì)時(shí)器則不用學(xué)生電源)、5～6條等長(zhǎng)的橡皮筋、刻度尺． 四、實(shí)驗(yàn)步驟 1．按如圖1所示將實(shí)驗(yàn)儀器安裝好，同時(shí)平衡摩擦力． 2．先用一條橡皮筋做實(shí)驗(yàn)，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶測(cè)出小車(chē)獲得的速度v1，設(shè)此時(shí)橡皮筋對(duì)小車(chē)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(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度與第一次相同，這時(shí)橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功為W2，測(cè)出小車(chē)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(shí)驗(yàn)，用同樣的方法測(cè)出功和速度，記入表格． 五、數(shù)據(jù)處理 先對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，或者作個(gè)W－v草圖，大致判斷兩個(gè)量可能是什么關(guān)系．如果認(rèn)為可能是W∝v2，對(duì)于每

3、一個(gè)速度值算出它的二次方，然后以W為縱坐標(biāo)、v2為橫坐標(biāo)作圖，如果這樣作出來(lái)的圖象是一條直線，說(shuō)明兩者關(guān)系真的就是W∝v2. 六、誤差分析 1．誤差的主要來(lái)源是橡皮筋的長(zhǎng)度、粗細(xì)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(méi)有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力時(shí)傾角過(guò)大也會(huì)造成誤差． 3．利用打點(diǎn)的紙帶計(jì)算小車(chē)的速度時(shí)，測(cè)量不準(zhǔn)會(huì)帶來(lái)誤差． 七、注意事項(xiàng) 1．平衡摩擦力很關(guān)鍵，將木板一端墊高，使小車(chē)重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡．方法是輕推小車(chē)，由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器j打在紙帶上的點(diǎn)的均勻程度判斷小車(chē)是否做勻速運(yùn)動(dòng)，找到木板一個(gè)合適的傾角． 2．測(cè)小車(chē)速度時(shí)，應(yīng)選紙帶上點(diǎn)距均勻的部

4、分，也就是選小車(chē)做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)打在紙帶上的點(diǎn)． 3．橡皮筋應(yīng)選規(guī)格一樣的．力對(duì)小車(chē)做的功以一條橡條筋做的功為單位即可，不必計(jì)算出具體數(shù)值．這是本實(shí)驗(yàn)的技巧之一，這里通過(guò)轉(zhuǎn)換單位的方法巧妙地解決了這一難題，這也 是物理實(shí)驗(yàn)中常用的一種思想和手段．(歷史上卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)和這里相似) 記憶口訣 一條皮筋單倍功，多條皮筋功倍增. 先開(kāi)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，放開(kāi)小車(chē)向前沖. 平衡摩擦是關(guān)鍵，每次車(chē)位不能變. 測(cè)量點(diǎn)子均勻處，保證小車(chē)是勻速. 作出圖象看關(guān)系，直線圖象是正比. 例1　關(guān)于“探究動(dòng)能定理”的實(shí)驗(yàn)中，下列敘述正確的是 (　　) A．每次實(shí)

5、驗(yàn)必須設(shè)法算出橡皮筋對(duì)小車(chē)做功的具體數(shù)值 B．每次實(shí)驗(yàn)中，橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度沒(méi)有必要保持一致 C．放小車(chē)的長(zhǎng)木板應(yīng)該盡量使其水平 D．先接通電源，再讓小車(chē)在橡皮筋的作用下彈出 特別提醒　1.不直接算W和v的數(shù)值，而只看第2次、第3次……實(shí)驗(yàn)中的W和v是第1次的多少倍，這樣可簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的測(cè)量和處理． 2．實(shí)驗(yàn)中要通過(guò)傾斜木板平衡摩擦力，這與探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系中平衡摩擦力的方法是一樣的． 例2　某實(shí)驗(yàn)小組采用如圖2甲所示的裝置探究功與速度變化的關(guān)系，小車(chē)在橡皮筋的作用下彈出后，沿木板滑行，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作頻率為50 Hz. 　 甲　　　　　　　　　　　

6、 　乙 圖2 (1)實(shí)驗(yàn)中木板略微傾斜，這樣做____________(填答案前的字母)． A．是為了釋放小車(chē)后，小車(chē)能勻加速下滑 B．是為了增大橡皮筋對(duì)小車(chē)的彈力 C．是為了使橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功等于合外力對(duì)小車(chē)做的功 D．是為了使橡皮筋松馳后小車(chē)做勻加速運(yùn)動(dòng) (2)若根據(jù)多次測(cè)量數(shù)據(jù)畫(huà)出的W－v草圖如圖乙所示，根據(jù)圖線形狀可知，對(duì)W與v的關(guān)系作出的以下猜想肯定不正確的是________． 　 A．W∝ B．W∝ C．W∝v2 D．W∝v3 圖3 例3　如圖3所示，是某研究性學(xué)習(xí)小組做探 究“橡皮筋做功和物體速

7、度變化的關(guān)系” 的實(shí)驗(yàn)，圖中是小車(chē)在一條橡皮筋作用下 彈出，沿木板滑行的情形．這時(shí)，橡皮筋 對(duì)小車(chē)做的功記為W.當(dāng)我們把2條、3 條……完全相同的橡皮筋并在一起進(jìn)行第 2次、第3次……實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次橡皮筋都拉伸 到同一位置釋放．小車(chē)每次實(shí)驗(yàn)中獲得的速度由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打點(diǎn)的紙帶測(cè)出． (1)除了圖中的已給出的實(shí)驗(yàn)器材外，還需要的器材有___________________________ __________________________________________________________________________； (2)實(shí)驗(yàn)時(shí)為了使小車(chē)只在橡皮筋作用下運(yùn)動(dòng)

8、，應(yīng)采取的措施是_____________________； (3)每次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶上的點(diǎn)并不都是均勻的，為了測(cè)量小車(chē)獲得的速度，應(yīng)選用紙帶的________部分進(jìn)行測(cè)量； (4)下面是本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄表，請(qǐng)將第2次、第3次……實(shí)驗(yàn)中橡皮筋做的功填寫(xiě)在對(duì)應(yīng)的位置； 數(shù)據(jù) 物理量 橡皮筋 做的功 10個(gè)間 距的距 離x(m) 10個(gè)間 距的時(shí) 間T(s) 小車(chē)獲 得的速 度vn 小車(chē)速 度的平 方v 1 W 0.200 0.2 2 0.280 0.2 3 0.300 0.2 4

9、0.400 0.2 5 0.450 0.2 (5)從理論上講，橡皮筋做的功Wn和物體速度vn變化的關(guān)系應(yīng)是Wn∝________，請(qǐng)你根據(jù)表中測(cè)定的數(shù)據(jù)在如圖4所示的坐標(biāo)系中作出相應(yīng)的圖象驗(yàn)證理論的正確性． 圖4 (6)若在實(shí)驗(yàn)中你作出的圖線與理論的推測(cè)不完全一致，你處理這種情況的做法是____________________________________． 　　　　　　　　　16.創(chuàng)新探究性實(shí)驗(yàn)的解題方法 例4　某興趣小組想通過(guò)物塊在斜面上運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)探究“合外力做功和物體速度變化的關(guān)系”．實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，他們提出了以下幾種猜想：①W∝ ，②W∝v，③W

10、∝v2.他們的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5甲所示，PQ為一塊傾斜放置的木板，在Q處固定一個(gè)速度傳感器(用來(lái)測(cè)量物體每次通過(guò)Q點(diǎn)時(shí)的速度)，每次實(shí)驗(yàn)，物體從不同初始位置處由靜止釋放． 　 圖5 同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)了以下表格來(lái)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．其中L1、L2、L3、L4…代表物體分別從不同初始位置處無(wú)初速釋放時(shí)初始位置到速度傳感器的距離，v1、v2、v3、v4…表示物體每次通過(guò)Q點(diǎn)的速度. 實(shí)驗(yàn)次數(shù) 1 2 3 4 … L L1 L2 L3 L4 … v v1 v2 v3 v4 … 他們根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了如圖乙所示的L－v圖象，并得出結(jié)論W∝v2.他們的做法是否合適，你有什么好的

11、建議？ 在此實(shí)驗(yàn)中，木板與物體間摩擦力的大小________(填“會(huì)”或“不會(huì)”)影響探究出的結(jié)果． 方法提煉　縱觀近幾年各地高考試題，創(chuàng)新探究型實(shí)驗(yàn)試題正成為高考試題的主流題型，這也正是新課標(biāo)精神在高考中的具體表現(xiàn)．創(chuàng)新探究型實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是：利用課本實(shí)驗(yàn)的儀器、思想和方法來(lái)完成不同于課本的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模缋门ｎD第二定律的裝置來(lái)完成探究動(dòng)能定理的實(shí)驗(yàn)，有些試題中可能會(huì)出現(xiàn)新的實(shí)驗(yàn)器材，但這些器材也是在教材上出現(xiàn)的，例如光電門(mén)、氣墊導(dǎo)軌、力傳感器等，無(wú)論是應(yīng)用什么樣的實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)的思想和方法都來(lái)源于課本實(shí)驗(yàn)，是課本實(shí)驗(yàn)思想和方法的遷移應(yīng)用． 解決創(chuàng)新探究實(shí)驗(yàn)試題的基礎(chǔ)是熟練掌握考試說(shuō)明

12、要求的物理實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)是基本實(shí)驗(yàn)器 材的使用方法和實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)的物理思想，例如平衡摩擦力的方法、用重力代替拉力的方 法、控制變量的方法、累積法測(cè)量微小量的方法、圖象探究物理量關(guān)系的方法、微小量 放大測(cè)量的方法、平均值減小誤差的方法等等．解決創(chuàng)新探究實(shí)驗(yàn)試題的關(guān)鍵是能將學(xué) 過(guò)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)和方法在不同的情境下遷移應(yīng)用，這對(duì)同學(xué)的綜合分析問(wèn)題并能運(yùn)用所學(xué) 知識(shí)解決問(wèn)題的能力提出了較高的要求. 1．用如圖6所示的裝置做“探究動(dòng)能定理”的實(shí)驗(yàn) 時(shí)，下列說(shuō)法正確的是 (　　) 圖6 A．為了平衡摩擦力，實(shí)驗(yàn)中可以將長(zhǎng)木板的左

13、端適當(dāng)墊高，使小車(chē)?yán)┻^(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的 紙帶自由下滑時(shí)能保持勻速運(yùn)動(dòng) B．每次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋的規(guī)格要相同，拉伸的長(zhǎng)度要一樣 C．可以通過(guò)改變橡皮筋的條數(shù)來(lái)改變拉力做功的數(shù)值 D．可以通過(guò)改變小車(chē)的質(zhì)量來(lái)改變拉力做功的數(shù)值 E．實(shí)驗(yàn)中要先釋放小車(chē)再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源 F．通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的紙帶來(lái)測(cè)定小車(chē)加速過(guò)程中獲得的最大速度 G．通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的紙帶來(lái)測(cè)定小車(chē)加速過(guò)程中獲得的平均速度 2．探究力對(duì)原來(lái)靜止的物體做的功與物體獲得的 速度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，實(shí)驗(yàn)主要 過(guò)程如下： 圖7 (1)設(shè)法讓橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功分別為W、2W、 3W、…

14、； (2)分析打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶，求出小車(chē)的速度v1、v2、v3、…； (3)作出W－v草圖； (4)分析W－v圖象．如果W－v圖象是一條直線，表明W∝v；如果不是直線，可考慮是否存在W∝v2、W∝v3、W∝等關(guān)系． 以下關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的說(shuō)法中有一項(xiàng)不正確，它是________． A．本實(shí)驗(yàn)設(shè)法讓橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功分別為W、2W、3W、….所采用的方法是選用同樣的橡皮筋，并在每次實(shí)驗(yàn)中使橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度保持一致．當(dāng)用1條橡皮筋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功為W，用2條、3條、…橡皮筋并在一起進(jìn)行第2次、第3次、…實(shí)驗(yàn)時(shí)，橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功分別是2W、3W、… B．小車(chē)運(yùn)動(dòng)中會(huì)受

15、到阻力，補(bǔ)償?shù)姆椒梢允鼓景暹m當(dāng)傾斜 C．某同學(xué)在一次實(shí)驗(yàn)中，得到一條記錄紙帶．紙帶上打出的點(diǎn)，兩端密、中間疏．出現(xiàn)這種情況的原因，可能是沒(méi)有使木板傾斜或傾角太小 D．根據(jù)記錄紙帶上打出的點(diǎn)，求小車(chē)獲得的速度的方法，是以紙帶上第一點(diǎn)到最后一點(diǎn)的距離來(lái)進(jìn)行計(jì)算 3．在追尋科學(xué)家研究足跡的過(guò)程中，某同學(xué)為探究恒力做功和物體動(dòng)能變化間的關(guān)系，采用了如圖8所示的“探究物體加速度與物體質(zhì)量、受力之間關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置． 圖8 (1)實(shí)驗(yàn)時(shí)，該同學(xué)想用鉤碼的重力表示滑塊受到的合力，為了減小這種做法帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差，你認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該采取的兩項(xiàng)措施是____________和_________

16、_________． (2)如圖9所示是實(shí)驗(yàn)中得到的一條紙帶，其中A、B、C、D、E、F是連續(xù)的六個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T(mén)，相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離已在圖中標(biāo)出，測(cè)出滑塊的質(zhì)量為M，鉤碼的總質(zhì)量為m.從打B點(diǎn)到打E點(diǎn)的過(guò)程中，為達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，該同學(xué)應(yīng)該尋找______________和______________之間的數(shù)值關(guān)系(用題中和圖中的物理量符號(hào)表示) 圖9 圖10 4. 某實(shí)驗(yàn)小組利用拉力傳感器和速度傳感器探究 “動(dòng)能定理”．如圖10所示，他們將拉力傳感器 固定在小車(chē)上，用不可伸長(zhǎng)的細(xì)線將其通過(guò)一個(gè) 定滑輪與鉤碼相連，用拉力傳感器記錄小車(chē)受到拉

17、力的大?。谒阶烂嫔舷嗑?0.0 cm 的A、B兩點(diǎn)各安裝一個(gè)速度傳感器，記錄小車(chē)通過(guò)A、B時(shí)的速度大?。≤?chē)中可以放置砝碼． (1)實(shí)驗(yàn)主要步驟如下： ①測(cè)量__________和拉力傳感器的總質(zhì)量M1；把細(xì)線的一端固定在拉力傳感器上，另一端通過(guò)定滑輪與鉤碼相連；正確連接所需電路． ②將小車(chē)停在C點(diǎn)，__________，小車(chē)在細(xì)線拉動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，記錄細(xì)線拉力及小車(chē)通過(guò)A、B時(shí)的速度． ③在小車(chē)中增加砝碼，或____________，重復(fù)②的操作． (2)下面的表格中是他們測(cè)得的幾組數(shù)據(jù)，其中M是M1與小車(chē)中砝碼質(zhì)量之和，|v－v| 是兩個(gè)速度傳感器記錄速度的平方差，可以據(jù)此計(jì)算

18、出動(dòng)能變化量ΔE，F(xiàn)是拉力傳感器受到的拉力，W是F在A、B間所做的功．表格中ΔE3＝______，W3＝__________.(結(jié)果保留三位有效數(shù)字) 次數(shù) M/kg |v－v| /(m/s)2 ΔE/J F/N W/J 1 0.500 0.760 0.190 0.400 0.200 2 0.500 1.65 0.413 0.840 0.420 3 0.500 2.40 ΔE3 1.220 W3 4 1.000 2.40 1.20 2.420 1.21 5 1.000 2.84 1.42 2.860 1.43 (3

19、)根據(jù)表格，請(qǐng)?jiān)趫D11中的方格紙上作出ΔE－W圖線． 圖11 答案 課堂探究 例1　D　[實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有必要測(cè)出橡皮筋做功的具體數(shù)值，只要測(cè)出后來(lái)各次橡皮筋做的功是第一次的多少倍即可，A錯(cuò)誤；為了使以后各次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋做的功是第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)的整數(shù)倍，必須使每次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度保持一致，B錯(cuò)誤；為減小誤差，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)使木板傾斜以平衡摩擦力，C錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)中應(yīng)先接通電源，然后再放開(kāi)小車(chē)，D正確．] 例2　(1)C　(2)AB 例3　(1)刻度尺　(2)把木板的末端墊起適當(dāng)高度以平衡摩擦力　(3)點(diǎn)距均勻　(4)2W、3W、4W、5W　(5)v　圖象見(jiàn)解析圖　(6)分析誤差來(lái)源，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案或測(cè)量手段，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 例4　不合適，應(yīng)進(jìn)一步繪制L－v2圖象　不會(huì) 隨堂訓(xùn)練 1．ABCF　2.D 3．(1)保證鉤碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊的質(zhì)量　平衡摩擦力 (2)mg(Δx2＋Δx3＋Δx4) M()2－M()2 4．(1)①小車(chē)、砝碼　 ②釋放小車(chē)　③減少砝碼　(2)0.600　0.610　(3)如圖所示