高考物理一輪復(fù)習(xí)粵教版教師用書第五章機械能實驗五

實驗五探究外力做功與物體動能變化的關(guān)系誤差分析1.偶然誤差：測量長度時會帶來誤差。減小誤差的辦法：(1)測距離時都應(yīng)從第一個計數(shù)點0量起；(2)多測幾次取平均值。2.系統(tǒng)誤差：實驗中重物和紙帶下落過程中要克服阻力(主要是打點計時器的阻力)做功，故動能的增加量ΔEk必定稍小于重力做的功WG。注意事項1.為減小誤差，應(yīng)重復(fù)多次實驗，從中挑選出打點清晰的一條紙帶進行測量。2.應(yīng)盡可能減小各種阻力的影響，可采取如下措施：(1)應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，以減小空氣阻力的影響。(2)打點計時器必須穩(wěn)固安裝在鐵架臺上，并且兩個限位孔的中線要嚴(yán)格豎直，以減小紙帶所受的摩擦力。(3)釋放前將紙帶拉至豎直且保證不與限位孔接觸以減小紙帶與限位孔間的摩擦。3.實驗時必須是先接通電源，打點計時器正常工作后再放開紙帶讓重物下落。4.各點的速度不能用v＝gt來求解。熱點一教材原型實驗【例1】在利用打點計時器“探究外力做功與動能變化的關(guān)系”實驗中，如果紙帶上前面幾個點比較密集，不夠清晰，可舍去前面的比較密集的點，在后面取一段打點較為清晰的紙帶，同樣可以驗證，如圖1所示，取O點為計時起點，各點的間距已量出并標(biāo)在紙帶上，所用交流電的頻率為50Hz，重物的質(zhì)量為m。(g取9.8m/s2)圖1(1)打A點時，重物下落速度為vA＝________，重物動能EkA＝________。(2)打F點時，重物下落速度為vF＝________，重物動能EkF＝________。(3)打點計時器自打出A點開始到打出F點，重物重力做功為________，動能的增加量為________。(4)根據(jù)紙帶上提供的數(shù)據(jù)，在誤差允許的范圍內(nèi)，重物從打點計時器打出A點到打出F點的過程中，得到的結(jié)論是________________________________________。解析(1)vA＝eq\f(OB,2T)＝eq\f(（2.40＋2.79）×10－2,2×0.02)m/s≈1.30m/sEkA＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)＝eq\f(1,2)m×1.302J≈0.85mJ。(2)vF＝eq\f(EG,2T)＝eq\f(（4.37＋4.76）×10－2,2×0.02)m/s≈2.28m/sEkF＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,F)＝eq\f(1,2)m×2.282J≈2.60mJ。(3)WG＝mghAF＝m×9.8×(2.79＋3.19＋3.58＋3.97＋4.37)×10－2J≈1.75mJ。ΔEk＝EkF－EkA＝2.60mJ－0.85mJ＝1.75mJ(4)因為在實驗誤差允許范圍內(nèi)WG＝ΔEk，所以重力對物體做的功等于物體動能的變化。答案(1)1.30m/s0.85mJ(2)2.28m/s2.60mJ(3)1.75mJ1.75mJ(4)在實驗誤差允許的范圍內(nèi)ΔEk＝WG，即重力對物體做的功等于物體動能的變化變式訓(xùn)練1在“探究外力做功與物體的動能變化的關(guān)系”的實驗中備有下列器材：A.打點計時器；B.天平；C.秒表；D.低壓交流電源；E.電池；F.紙帶；G.細線、砝碼、小車、砝碼盤；H.薄木板。(1)其中多余的器材是________；缺少的器材是____________________________________________________________________。(2)測量時間的工具是________________；測量質(zhì)量的工具是________________。(3)如圖2所示是打點計時器打出的小車(質(zhì)量為m)在恒力F作用下做勻加速直線運動的紙帶，測量數(shù)據(jù)已用字母在圖中標(biāo)出，打點計時器的打點周期為T。請分析，利用這些數(shù)據(jù)能否驗證動能定理？若不能，請說明理由；若能，請說出做法，并對這種做法做出評價。圖2解析(1)計算小車的速度是利用打上點的紙帶，故不需要秒表；打點計時器應(yīng)使用低壓交流電源，故多余的器材是C、E；測量點與點之間的距離要用毫米刻度尺，故缺少的器材是毫米刻度尺。(2)測量時間的工具是打點計時器；測量質(zhì)量的工具是天平。(3)小車從A運動到B的過程中，恒力做的功為WAB＝FsAB，物體動能的增量為EkB－EkA＝eq\f(1,2)m(eq\f(sB,2T))2－eq\f(1,2)m(eq\f(sA,2T))2＝eq\f(1,2)meq\f(seq\o\al(2,B)－seq\o\al(2,A),4T2)，只要驗證FsAB＝eq\f(1,2)meq\f(seq\o\al(2,B)－seq\o\al(2,A),4T2)即可。答案(1)C、E毫米刻度尺(2)打點計時器天平(3)見解析熱點二實驗拓展創(chuàng)新1.裝置時代化2.求解智能化(1)摩擦阻力問題：靠小車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)速度的測量方法：勻速運動速度→測量紙帶上各點速度→光電門v＝eq\f(d,Δt)→速度傳感器直接顯示速度大小。【例2】(2017·溫州模擬)如圖3所示，某同學(xué)在做“探究功與速度變化的關(guān)系”的實驗。當(dāng)小車在1條橡皮筋的作用下沿木板滑行時，橡皮筋對小車做的功記為W。當(dāng)用2條、3條……橡皮筋重復(fù)實驗時，設(shè)法使每次實驗中橡皮筋所做的功分別為2W、3W…圖3(1)圖3中電火花計時器的工作電壓是________V的交流電。(2)實驗室提供的器材如下：長木板、小車、橡皮筋、電火花計時器、紙帶、電源等，還缺少的測量工具是________。(3)圖3中小車上有一固定小立柱，如圖4中給出了4種橡皮筋與小立柱的套接方式，為減小實驗誤差，你認為最合理的套接方式是________。(4)在正確操作的情況下，某次實驗所打的紙帶如圖5所示。打在紙帶上的點并不都是均勻的，為了測量橡皮筋做功后小車獲得的速度，應(yīng)選用紙帶的________部分進行測量(根據(jù)紙帶中字母回答)，小車獲得的速度是________m/s。(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)圖5解析(1)電火花計時器的工作電壓是220V的交流電。(2)處理實驗數(shù)據(jù)時需要測量兩計數(shù)點間的距離，因此還需要的器材是刻度尺。(3)橡皮筋最合理的套接方式是A，以A的方式套接釋放小車后，橡皮筋不會影響小車的運動。(4)由圖3的紙帶可知，GJ部分每兩點間的距離相等，小車做勻速直線運動，因此應(yīng)選用紙帶的GJ部分；小車獲得的速度v＝eq\f(s,t)＝eq\f(0.0130,0.02)m/s＝0.65m/s。答案(1)220(2)刻度尺(3)A(4)GJ0.65【例3】(2017·北京理綜，21)如圖6所示，用質(zhì)量為m的重物通過滑輪牽引小車，使它在長木板上運動，打點計時器在紙帶上記錄小車的運動情況。利用該裝置可以完成“探究動能定理”的實驗。圖6(1)打點計時器使用的電源是________(選填選項前的字母)。A.直流電源 B.交流電源(2)實驗中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正確操作方法是________(選填選項前的字母)。A.把長木板右端墊高 B.改變小車的質(zhì)量在不掛重物且________(選填選項前的字母)的情況下，輕推一下小車。若小車拖著紙帶做勻速運動，表明已經(jīng)消除了摩擦力和其它阻力的影響。A.計時器不打點 B.計時器打點(3)接通電源，釋放小車，打點計時器在紙帶上打下一系列點，將打下的第一個點標(biāo)為O。在紙帶上依次取A、B、C……若干個計數(shù)點，已知相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T，測得A、B、C……各點到O點的距離為x1、x2、x3……，如圖7所示。圖7實驗中，重物質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量，可認為小車所受的拉力大小為mg，從打O點到打B點的過程中，拉力對小車做的功W＝________，打B點時小車的速度v＝________。(4)以v2為縱坐標(biāo)，W為橫坐標(biāo)，利用實驗數(shù)據(jù)做出如圖8所示的v2－W圖象。由此圖象可得v2隨W變化的表達式為________。根據(jù)功與能的關(guān)系，動能的表達式中可能包含v2這個因子，分析實驗結(jié)果的單位關(guān)系，與圖線斜率有關(guān)的物理量應(yīng)是________。圖8(5)假設(shè)已經(jīng)完全消除了摩擦力和其它阻力的影響，若重物質(zhì)量不滿足遠小于小車質(zhì)量的條件，則從理論上分析，下圖中正確反映v2－W關(guān)系的是________。解析(1)打點計時器使用交流電源。(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所有阻力(包括打點過程中的阻力)平衡，使小車做勻速直線運動；判斷小車做勻速直線運動是根據(jù)紙帶上相鄰點間的距離相等判定，故需計時器打點。(3)拉力大小為mg，O到B位移為x2，根據(jù)功的公式W＝Fx，得W2＝mgx2。由于小車做勻加速直線運動，B點為AC時間中點，AC段平均速度等于B點瞬時速度，即v＝eq\f(x3－x1,2T)。(4)由v2－W圖象為直線得，v2＝kW＋b，從圖中讀出b＝0.01，在圖中直線上任取兩個相距較遠的點，可得k＝4.8，所以v2＝4.8W＋0.01。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)該實驗與教材實驗不同，不是使用不同數(shù)量的橡皮筋，每次測量一個速度，而是重物質(zhì)量確定，一次實驗中取不同位置的點，測量多個速度。設(shè)小車質(zhì)量為M，以重物與小車整體為研究對象，則a＝eq\f(mg,m＋M)，設(shè)小車滑行x時速度為v，則v2－0＝2ax?？傻胿2＝eq\f(2,m＋M)·mgx。實驗中認為W＝mgx，所以v2＝eq\f(2,m＋M)·W，m與M為定值，故選項A正確。答案(1)B(2)AB(3)mgx2eq\f(x3－x1,2T)(4)v2＝4.8W＋0.01質(zhì)量(5)A【變式訓(xùn)練2】某校物理興趣小組利用如圖9所示裝置探究合力做功與動能變化的關(guān)系。在滑塊上安裝一遮光條，系輕細繩處安裝一拉力傳感器(可顯示出輕細繩的拉力)，把滑塊放在水平氣墊導(dǎo)軌上A處，細繩通過定滑輪與鉤碼相連，光電門安裝在B處。氣墊導(dǎo)軌充氣，將滑塊從A位置由靜止釋放后，拉力傳感器記錄的讀數(shù)為F，光電門記錄的時間為Δt。圖9(1)用螺旋測微器測量遮光條的寬度，如圖10所示，則寬度為__________mm。圖10(2)多次改變鉤碼的質(zhì)量(拉力傳感器記錄的讀數(shù)F相應(yīng)改變)，測得多組F和Δt數(shù)據(jù)，要得到線性變化圖象，若已知選定F作為縱坐標(biāo)，則橫坐標(biāo)代表的物理量為______。A.Δt B.(Δt)2C.eq\f(1,Δt) D.(eq\f(1,Δt))2(3)若正確選擇橫坐標(biāo)所代表的物理量后，得出線性變化圖象的斜率為k，且已經(jīng)測出A、B之間的距離為s，遮光條的寬度為d，則滑塊質(zhì)量(含遮光條和拉力傳感器)的表達式為M＝__________。解析(1)根據(jù)螺旋測微器讀數(shù)規(guī)則，遮光條的寬度d＝2.5mm＋0.058mm＝2.558mm。(2)根據(jù)動能定理得Fs＝eq\f(1,2)Mv2，v＝eq\f(d,Δt)，聯(lián)立解得F＝eq\f(Md2,2s)(eq\f(1,Δt))2，選定F作為縱坐標(biāo)，則橫坐標(biāo)代表的物理量為(eq\f(1,Δt))2，選項D正確。(3)得出線性變化圖象的斜率為k，由k＝eq\f(Md2,2s)解得M＝eq\f(2ks,d2)。答案(1)2.558(2)D(3)eq\f(2ks,d2)1.某學(xué)習(xí)小組在“探究功與速度變化的關(guān)系”的實驗中采用了如圖11所示的實驗裝置。圖11(1)將氣墊導(dǎo)軌接通氣泵，通過調(diào)平螺絲調(diào)整氣墊導(dǎo)軌使之水平，檢查是否調(diào)平的方法是____________________________________________________________。(2)如圖12示，游標(biāo)卡尺測得遮光條的寬度Δd＝________cm。實驗時，將橡皮條掛在滑塊的掛鉤上，向后拉伸一定的距離，并做好標(biāo)記，以保證每次拉伸的距離恒定?，F(xiàn)測得掛一根橡皮條時，滑塊彈離橡皮條后，經(jīng)過光電門的時間為Δt，則滑塊最后勻速運動的速度表達式為________(用字母表示)。圖12(3)逐根增加橡皮條，記錄每次遮光條經(jīng)過光電門的時間，并計算出對應(yīng)的速度。則畫出的W－v2圖象應(yīng)是____________________________。解析(1)檢查導(dǎo)軌是否水平的方法：將滑塊輕放在氣墊導(dǎo)軌上，看其是否滑動(或?qū)⒒瑝K輕放在氣墊導(dǎo)軌上，輕推滑塊看是否勻速運動)。(2)Δd＝5mm＋0.05mm×10＝5.50mm＝0.550cm滑塊勻速運動的速度v＝eq\f(Δd,Δt)。(3)由動能定理可知，W＝eq\f(1,2)mv2，故畫出的W－v2圖象應(yīng)是過坐標(biāo)原點的一條傾斜直線。答案(1)將滑塊輕置于氣墊導(dǎo)軌之上，看其是否滑動；或?qū)⒒瑝K輕置于氣墊導(dǎo)軌之上，輕推滑塊看是否勻速運動(其他方法正確均可)(2)0.550eq\f(Δd,Δt)(3)過坐標(biāo)原點的一條傾斜直線2.為了“探究動能改變與合外力做功的關(guān)系”，某同學(xué)設(shè)計了如下實驗方案：第一步：把帶有定滑輪的木板有滑輪的一端墊起，把質(zhì)量為M的滑塊通過細繩與質(zhì)量為m的帶夾子的重錘跨過定滑輪相連，重錘下連一穿過打點計時器的紙帶，調(diào)整木板傾角，直到輕推滑塊后，滑塊沿木板向下勻速運動，如圖13甲所示。第二步：保持長木板的傾角不變，將打點計時器安裝在長木板靠近滑輪處，取下細繩和重錘，將滑塊與紙帶相連，使紙帶穿過打點計時器，然后接通電源，釋放滑塊，使之從靜止開始向下加速運動，打出紙帶，如圖乙所示。打出的紙帶如圖丙所示。圖13請回答下列問題：(1)已知O、A、B、C、D、E、F相鄰計數(shù)點間的時間間隔為Δt，根據(jù)紙帶求滑塊運動的速度，打點計時器打B點時滑塊運動的速度vB＝________。(2)已知重錘質(zhì)量為m，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間，要測出某一過程合外力對滑塊做的功還必須測出這一過程滑塊____________(寫出物理量名稱及符號，只寫一個物理量)，合外力對滑塊做功的表達式W合＝________。(3)算出滑塊運動OA、OB、OC、OD、OE段合外力對滑塊所做的功W以及在A、B、C、D、E各點的速度v，以v2為縱軸、W為橫軸建立直角坐標(biāo)系，描點作出v2－W圖象，可知該圖象是一條____________，根據(jù)圖象還可求得____________。解析(1)由打出的紙帶可知B點的速度為vB＝eq\f(s3－s1,2Δt)。(2)由做功定義式可知還需要知道滑塊下滑的位移s，由動能定理可知W合＝ΔEk，即mgs＝ΔEk。(3)v2－W圖象應(yīng)該為一條過原點的傾斜直線，根據(jù)ΔEk＝eq\f(1,2)Mv2可求得M的值。答案(1)eq\f(s3－s1,2Δt)(2)下滑的位移smgs(3)過原點的傾斜直線滑塊的質(zhì)量M3.(2017·江蘇單科，10)利用如圖14所示的實驗裝置探究恒力做功與物體動能變化的關(guān)系。小車的質(zhì)量為M＝200.0g，鉤碼的質(zhì)量為m＝10.0g，打點計時器的電源為50Hz的交流電。圖14(1)掛鉤碼前，為了消除摩擦力的影響，應(yīng)調(diào)節(jié)木板右側(cè)的高度，直至向左輕推小車觀察到_______________________________________