2020版物理新增分大一輪人教通用版講義：第五章 機(jī)械能 實(shí)驗(yàn)五

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專(zhuān)精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專(zhuān)精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專(zhuān)精實(shí)驗(yàn)五探究動(dòng)能定理1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康奶骄抗εc物體速度變化的關(guān)系．2．實(shí)驗(yàn)原理(如圖1所示）圖1（1)一根橡皮筋作用在小車(chē)上移動(dòng)距離s-—做功為W.（2)兩根橡皮筋作用在小車(chē)上移動(dòng)距離s——做功應(yīng)為2W。(3）三根橡皮筋作用在小車(chē)上移動(dòng)距離s--做功應(yīng)為3W.（4）利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器求出小車(chē)離開(kāi)橡皮筋時(shí)的速度，列表、作圖，由圖象可以確定功與速度變化的關(guān)系．3．實(shí)驗(yàn)器材橡皮筋、小車(chē)、木板、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、鐵釘、刻度尺等．4．實(shí)驗(yàn)步驟（1)墊高木板的一端，平衡摩擦力．(2）拉伸的橡皮筋對(duì)小車(chē)做功：①用一條橡皮筋拉小車(chē)-—做功W.②用兩條橡皮筋拉小車(chē)——做功2W。③用三條橡皮筋拉小車(chē)——做功3W。(3)測(cè)出每次做功后小車(chē)獲得的速度．（4）分別用各次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的v和W繪制W－v或W－v2、W－v3、……圖象，直到明確得出W和v的關(guān)系．5．實(shí)驗(yàn)結(jié)論物體速度v與外力做功W間的關(guān)系W＝eq\f(1,2)mv2。1．實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)（1)將木板一端墊高，使小車(chē)的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)，找到長(zhǎng)木板的一個(gè)合適的傾角．（2）測(cè)小車(chē)速度時(shí)，應(yīng)選紙帶上的點(diǎn)跡均勻的部分，也就是選小車(chē)做勻速運(yùn)動(dòng)的部分．(3）橡皮筋應(yīng)選規(guī)格一樣的．力對(duì)小車(chē)做的功以一條橡皮筋做的功為單位即可，不必計(jì)算出具體數(shù)值．(4）小車(chē)質(zhì)量應(yīng)大一些，使紙帶上打的點(diǎn)多一些．2．實(shí)驗(yàn)探究的技巧與方法（1）不直接計(jì)算W的數(shù)值，而只是看第2次、第3次……實(shí)驗(yàn)中的W是第1次的多少倍,簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的測(cè)量和處理．(2）作W－v圖象，或W－v2、W－v3圖象，直到作出的圖象是一條傾斜的直線.命題點(diǎn)一教材原型實(shí)驗(yàn)例1(2018·河南省周口市期末）某實(shí)驗(yàn)小組采用如圖2甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)探究功與速度變化的關(guān)系．圖2(1）下列關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的說(shuō)法正確的是________．A．長(zhǎng)木板上有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一端要適當(dāng)墊高，以平衡小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的摩擦力B．實(shí)驗(yàn)時(shí)必須設(shè)法算出橡皮筋對(duì)小車(chē)做功的具體值C．實(shí)驗(yàn)中，橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度沒(méi)有必要完全相同D．應(yīng)先接通電源，再讓小車(chē)在橡皮筋的作用下彈出（2)在正確操作的情況下,該小組某次所打的紙帶如圖乙所示．為了測(cè)量橡皮筋做功后小車(chē)獲得的速度，應(yīng)選用紙帶上的________段進(jìn)行測(cè)量(填“AB”、“BC”或“AC”);若使用的交流電的頻率為50Hz，則小車(chē)最終獲得的速度是________m/s。答案（1)AD（2)BC0.65解析(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于小車(chē)與木板間有摩擦,需將長(zhǎng)木板上有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一端適當(dāng)墊高，平衡摩擦力，故A正確；橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功無(wú)法直接測(cè)量，所以是通過(guò)改變橡皮筋的條數(shù)的方法來(lái)改變功，為了讓橡皮筋的功能有倍數(shù)關(guān)系就要求將橡皮筋拉到同一位置處，故B、C錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)時(shí)先接通電源，再釋放小車(chē)，故D正確；(2)為了測(cè)量橡皮筋做功后小車(chē)獲得的速度，要測(cè)量最大速度，應(yīng)該選用點(diǎn)跡均勻的部分，即BC段，小車(chē)的最終速度v＝eq\f（x,T)＝eq\f(1。30×10－2，0.02）m/s＝0。65m/s。變式1(2018·寧夏銀川一中一模）某同學(xué)利用如圖3所示的裝置探究做功與速度變化的關(guān)系．圖3(1）小物塊在橡皮筋的作用下彈出，沿水平桌面滑行，之后平拋落至水平地面上，落點(diǎn)記為M1;（2)在釘子上分別套上2條、3條、4條……同樣的橡皮筋，使每次橡皮筋拉伸的長(zhǎng)度都保持一致，重復(fù)步驟(1），小物塊落點(diǎn)分別記為M2、M3、M4……;(3)測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理．①為求出小物塊拋出時(shí)的動(dòng)能，需要測(cè)量下列物理量中的________(填正確答案標(biāo)號(hào))．A．小物塊的質(zhì)量mB．橡皮筋的原長(zhǎng)xC．橡皮筋的伸長(zhǎng)量ΔxD．桌面到地面的高度hE．小物塊拋出點(diǎn)到落地點(diǎn)的水平距離L②將幾次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋對(duì)小物塊做功分別記為W1、W2、W3、……，小物塊拋出點(diǎn)到落地點(diǎn)的水平距離分別記為L(zhǎng)1、L2、L3、…….若功與速度的平方成正比，則應(yīng)以W為縱坐標(biāo)、________為橫坐標(biāo)作圖，才能得到一條直線．③由于小物塊與桌面之間的摩擦不能忽略，則由此引起的誤差屬于______________（填“偶然誤差”或“系統(tǒng)誤差"）．答案(3)①ADE②L2③系統(tǒng)誤差解析（3）①小物塊離開(kāi)桌面后做平拋運(yùn)動(dòng)，由桌面到地面的高度h＝eq\f(1，2)gt2，可計(jì)算出平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，再根據(jù)小物塊拋出點(diǎn)到落地點(diǎn)的水平距離L＝v0t，可計(jì)算出小物塊離開(kāi)桌面時(shí)的速度，根據(jù)動(dòng)能的表達(dá)式Ek＝eq\f（1，2)mveq\o\al(02,），還需要知道小球的質(zhì)量，故A、D、E正確，B、C錯(cuò)誤．②根據(jù)h＝eq\f（1，2）gt2和L＝v0t，可得veq\o\al（02,）＝eq\f（g，2h)L2，因?yàn)楣εc速度的平方成正比，所以功與L2正比，故應(yīng)以W為縱坐標(biāo)、L2為橫坐標(biāo)作圖，才能得到一條直線．③一般來(lái)說(shuō),從多次測(cè)量揭示出的實(shí)驗(yàn)誤差稱(chēng)為偶然誤差，不能從多次測(cè)量揭示出的實(shí)驗(yàn)誤差稱(chēng)為系統(tǒng)誤差．由于小物塊與桌面之間的摩擦不能忽略，則由此引起的誤差屬于系統(tǒng)誤差．命題點(diǎn)二實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新1．裝置時(shí)代化↓↓↓↓↓2．求解智能化（1）摩擦阻力問(wèn)題:靠小車(chē)重力的下滑分力平衡摩擦力→自由下落阻力減少→氣墊導(dǎo)軌減少摩擦力．(2）速度的測(cè)量方法：勻速運(yùn)動(dòng)速度→測(cè)量紙帶上各點(diǎn)速度→光電門(mén)v＝eq\f(d，Δt)→速度傳感器直接顯示速度大?。畡?chuàng)新點(diǎn)1實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新-—利用重物牽引小車(chē)?yán)?（2017·北京理綜·21）如圖4所示,用質(zhì)量為m的重物通過(guò)滑輪牽引小車(chē)，使它在長(zhǎng)木板上運(yùn)動(dòng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上記錄小車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況．利用該裝置可以完成“探究動(dòng)能定理”的實(shí)驗(yàn)．圖4(1）打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的電源是________（選填選項(xiàng)前的字母)．A．直流電源 B．交流電源(2）實(shí)驗(yàn)中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正確操作方法是________(選填選項(xiàng)前的字母）．A．把長(zhǎng)木板右端墊高 B．改變小車(chē)的質(zhì)量在不掛重物且________(選填選項(xiàng)前的字母)的情況下，輕推一下小車(chē)．若小車(chē)拖著紙帶做勻速運(yùn)動(dòng)，表明已經(jīng)消除了摩擦力和其他阻力的影響．A．計(jì)時(shí)器不打點(diǎn) B．計(jì)時(shí)器打點(diǎn)(3)接通電源,釋放小車(chē)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn)，將打下的第一個(gè)點(diǎn)標(biāo)為O.在紙帶上依次取A、B、C……若干個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，已知相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T(mén),測(cè)得A、B、C……各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離為x1、x2、x3……如圖5所示．圖5實(shí)驗(yàn)中，重物質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量，可認(rèn)為小車(chē)所受的拉力大小為mg，從打O點(diǎn)到打B點(diǎn)的過(guò)程中，拉力對(duì)小車(chē)做的功W＝________，打B點(diǎn)時(shí)小車(chē)的速度v＝________。(4）以v2為縱坐標(biāo)，W為橫坐標(biāo)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出如圖6所示的v2－W圖象．由此圖象可得v2隨W變化的表達(dá)式為_(kāi)_______．根據(jù)功與能的關(guān)系，動(dòng)能的表達(dá)式中可能包含v2這個(gè)因子，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的單位關(guān)系，與圖線斜率有關(guān)的物理量應(yīng)是________．圖6(5)假設(shè)已經(jīng)完全消除了摩擦力和其他阻力的影響，若重物質(zhì)量不滿足遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量的條件，則從理論上分析，圖中正確反映v2－W關(guān)系的是________．答案(1）B（2)AB(3）mgx2eq\f（x3－x1,2T）（4)v2＝4.7W質(zhì)量(5)A解析(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用交流電源．(2）平衡摩擦力的方法為將木板一端墊高，使得重力沿木板方向的分力與摩擦力和其他阻力平衡，使小車(chē)做勻速直線運(yùn)動(dòng)；判斷小車(chē)做勻速直線運(yùn)動(dòng)是根據(jù)紙帶上相鄰點(diǎn)間的距離相等判定,故需計(jì)時(shí)器打點(diǎn)．(3)拉力大小為mg，O到B位移為x2，根據(jù)功的公式得W＝mgx2。由于小車(chē)做勻加速直線運(yùn)動(dòng),B點(diǎn)為AC的時(shí)間中點(diǎn),AC段的平均速度等于B點(diǎn)的瞬時(shí)速度，即v＝eq\f(x3－x1，2T）。（4）因v2－W圖象為直線,則設(shè)v2＝kW＋b，由題圖讀出b＝0。005，在直線上任取兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的點(diǎn)，可得：k≈4。7，在作圖誤差允許的范圍內(nèi)表達(dá)式可寫(xiě)成v2＝4。7W.由等式兩端的物理量單位可知,左側(cè)單位m2·s－2，右側(cè)W單位為J。所以k的單位為eq\f(m2·s－2，J）＝eq\f(m2·s－2，kg·m2·s－2)＝eq\f(1，kg)，所以與斜率有關(guān)的物理量是質(zhì)量．（5）設(shè)小車(chē)質(zhì)量為M，以重物與小車(chē)整體為研究對(duì)象,則a＝eq\f（mg，m＋M)，設(shè)小車(chē)滑行x時(shí)速度為v，則v2－0＝2ax?？傻胿2＝eq\f（2，m＋M)·mgx。實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為W＝mgx，所以v2＝eq\f（2,m＋M）·W，m與M為定值,故A正確．創(chuàng)新點(diǎn)2實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新—-利用光電門(mén)和氣墊導(dǎo)軌例3（2018·湖南省長(zhǎng)沙市雅禮中學(xué)模擬二)某學(xué)習(xí)小組利用如圖7所示的裝置驗(yàn)證動(dòng)能定理．圖7(1)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)至水平,安裝好實(shí)驗(yàn)器材，從圖中讀出兩光電門(mén)中心之間的距離s＝_____cm.（2）測(cè)量擋光條的寬度d,記錄擋光條通過(guò)光電門(mén)1和2所用的時(shí)間Δt1和Δt2,并從拉力傳感器中讀出滑塊受到的拉力F，為了完成實(shí)驗(yàn)．還需要直接測(cè)量的一個(gè)物理量是_________；(3)該實(shí)驗(yàn)是否需要滿足砝碼盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量．________（填“是”或“否"）答案(1)50。00（2）滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量M（3)否解析(1）光電門(mén)1處刻度尺讀數(shù)為：23。00cm，光電門(mén)2處刻度尺讀數(shù)為：73。00cm，故兩光電門(mén)中心之間的距離s＝73.00cm－23.00cm＝50。00cm；（2)滑塊通過(guò)光電門(mén)1的速度為：v1＝eq\f(d,Δt1）滑塊通過(guò)光電門(mén)2的速度為：v2＝eq\f（d，Δt2)根據(jù)功能關(guān)系需要驗(yàn)證的關(guān)系式為：Fs＝eq\f（1,2）Mveq\o\al（22,)－eq\f(1，2）Mveq\o\al(12,)＝eq\f（1,2）Meq\b\lc\(\rc\)（\a\vs4\al\co1（\f（d,Δt2））)2－eq\f(1，2）Meq\b\lc\（\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f（d,Δt1）))2可見(jiàn)還需要測(cè)量出M，即滑塊、擋光條和拉力傳感器的總質(zhì)量；（3）該實(shí)驗(yàn)中由于已用傳感器測(cè)出繩子拉力大小，不是將砝碼和砝碼盤(pán)的重力作為滑塊受到的拉力，故不需要滿足砝碼和砝碼盤(pán)的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊、擋光條和拉力傳感器的質(zhì)量．創(chuàng)新點(diǎn)3實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新——利用傳感器例4(2018·湖南省常德市模擬）某學(xué)習(xí)小組用圖8甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置探究“動(dòng)能定理”．他們?cè)跉鈮|導(dǎo)軌上安裝了一個(gè)光電門(mén)B，滑塊上固定一遮光條，滑塊用細(xì)線繞過(guò)氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與力傳感器相連，傳感器下方懸掛鉤碼，每次滑塊都從A處由靜止釋放．圖8（1)某同學(xué)用游標(biāo)卡尺測(cè)量遮光條的寬度d，如圖乙所示，則d＝________mm.(2)下列實(shí)驗(yàn)要求中不必要的一項(xiàng)是________(請(qǐng)?zhí)顚?xiě)選項(xiàng)前對(duì)應(yīng)的字母）．A．應(yīng)使滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量B．應(yīng)使A位置與光電門(mén)間的距離適當(dāng)大些C．應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)至水平D．應(yīng)使細(xì)線與氣墊導(dǎo)軌平行（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)保持滑塊的質(zhì)量M和A、B間的距離L不變，改變鉤碼質(zhì)量m，測(cè)出對(duì)應(yīng)的力傳感器的示數(shù)F和遮光條通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間t,通過(guò)描點(diǎn)作出線性圖象，研究滑塊動(dòng)能變化與合外力對(duì)它所做功的關(guān)系，處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)作出的圖象是________（填寫(xiě)選項(xiàng)前對(duì)應(yīng)的字母）．A．t－eq\f(1,F)圖象 B。eq\f(1，t）－F圖象C．t2－eq\f（1,F)圖象 D.eq\f(1,t）－F2圖象答案（1)2.30(2)A（3)C解析(1）由題圖知d＝2mm＋6×0。05mm＝2。30mm。(2)拉力是直接通過(guò)力傳感器測(cè)量的，故A不必要；應(yīng)使A位置與光電門(mén)的距離適當(dāng)大些，有利于減小誤差，故B是必要的；應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平，保持細(xì)線與氣墊導(dǎo)軌平行，這樣拉力才等于合力,故C、D是必要的．(3)根據(jù)牛頓第二定律：F＝Ma，滑塊通過(guò)光電門(mén)的速度為：v＝eq\f(d，t)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式：v2＝2ax，代入可得：eq\b\lc\(\rc\)（\a\vs4\al\co1(\f(d,t)））2＝2eq\f(F，M)L，解得:t2＝eq\f（Md2，2LF），所以處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)做出t2－eq\f（1,F）的圖象，故選C。命題點(diǎn)三實(shí)驗(yàn)方案的創(chuàng)新例5為了探究動(dòng)能變化與合外力做功的關(guān)系，某同學(xué)設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)方案：第一步:把長(zhǎng)木板附有滑輪的一端墊起，把質(zhì)量為M的滑塊通過(guò)細(xì)繩與質(zhì)量為m的帶夾子的重錘跨過(guò)定滑輪相連，重錘后連一穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶,調(diào)整木板傾角，直到輕推滑塊后,滑塊沿木板向下勻速運(yùn)動(dòng)，如圖9甲所示．第二步：保持長(zhǎng)木板的傾角不變,將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝在長(zhǎng)木板靠近滑輪處，取下細(xì)繩和重錘,將滑塊與紙帶相連，使紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，然后接通電源，釋放滑塊，使之從靜止開(kāi)始向下加速運(yùn)動(dòng),打出紙帶,如圖乙所示．打出的紙帶如圖丙所示．圖9請(qǐng)回答下列問(wèn)題:（1)已知O、A、B、C、D、E、F相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為Δt,O點(diǎn)為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的第一點(diǎn)，根據(jù)紙帶求滑塊運(yùn)動(dòng)的速度，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打B點(diǎn)時(shí)滑塊運(yùn)動(dòng)的速度vB＝________。（2）已知重錘質(zhì)量為m，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間，要測(cè)出某一過(guò)程合外力對(duì)滑塊做的功還必須測(cè)出這一過(guò)程滑塊______(寫(xiě)出物理量名稱(chēng)及符號(hào)，只寫(xiě)一個(gè)物理量)，合外力對(duì)滑塊做功的表達(dá)式W合＝________。(3）算出滑塊運(yùn)動(dòng)OA、OB、OC、OD、OE段合外力對(duì)滑塊所做的功W以及在A、B、C、D、E各點(diǎn)的速度v，以v2為縱軸、W為橫軸建立直角坐標(biāo)系，描點(diǎn)作出v2－W圖象，可知該圖象是一條________,根據(jù)圖象還可求得________．答案（1）eq\f(x3－x1，2Δt）（2）下滑的位移xmgx(3)過(guò)原點(diǎn)的直線滑塊的質(zhì)量M解析（1)由打出的紙帶可知打B點(diǎn)時(shí)的速度為vB＝eq\f（x3－x1，2Δt）；(2)由題知撤去重錘后，滑塊下滑時(shí)受到的合力等于重錘的重力，只要知道滑塊下滑的位移x就可得合力所做的功，W＝mgx；（3)由動(dòng)能定理得W＝eq\f（1，2）Mv2，若描點(diǎn)作出v2－W圖象，則其為一條過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的傾斜直線,直線斜率k＝eq\f（2,M），故可求滑塊質(zhì)量M。變式2（2018·山東省棗莊市期末質(zhì)量檢測(cè))某同學(xué)為驗(yàn)證“動(dòng)能定理”設(shè)計(jì)了如圖10甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置：用一個(gè)電磁鐵吸住一個(gè)小鋼球;當(dāng)將電磁鐵斷電后，小鋼球由靜止開(kāi)始向下加速運(yùn)動(dòng)；小鋼球經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí),計(jì)時(shí)裝置將記錄小鋼球通過(guò)光電門(mén)所用的時(shí)間t，用游標(biāo)卡尺測(cè)出小鋼球的直徑d,用直尺測(cè)量出小鋼球由靜止開(kāi)始下降至光電門(mén)時(shí)的高度h，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間，那么圖10（1)測(cè)量小鋼球的直徑結(jié)果如圖乙所示，則小鋼球的直徑d＝