物理大一輪復習試題：第五章實驗5探究動能定理

實驗五探究動能定理一、基本原理與操作原理裝置圖操作要領平衡：墊高木板的一端，平衡摩擦力做功：用一條橡皮筋拉小車——做功W；用兩條橡皮筋拉小車——做功2W；用三條橡皮筋拉小車——做功3W小車：靠近打點計時器且接通電源再釋放小車；每次小車須由同一位置由靜止彈出測速：測出每次做功后小車獲得的速度二、數(shù)據(jù)處理1.利用紙帶確定小車的末速度(1)橡皮筋恢復原長時小車已勻速，故應利用紙帶上間距相等的部分計算小車速度。(2)利用v＝eq\f(x,t)計算小車的速度，為減小測量誤差，所選的范圍應盡量長些。2.繪制圖象分別用各次實驗的v和W繪出W－v，W－v2，W－v3等關系圖象，直到作出的圖象是一條傾斜的直線。三、注意事項1.選點測速：測小車速度時，紙帶上的點應選均勻部分的，也就是選小車做勻速直線運動狀態(tài)的點。2.橡皮筋的選擇：橡皮筋規(guī)格相同。力對小車做的功以一條橡皮筋做的功為單位即可，不必計算出具體數(shù)值。四、誤差分析1.誤差的主要來源是橡皮筋的長度、粗細不一致，使橡皮筋的拉力做功W與橡皮筋的條數(shù)不成正比。2.沒有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力時傾角過大也會造成誤差。3.利用打上點的紙帶計算小車的速度時，測量不準帶來誤差。類型一教材原型實驗【例1】某學習小組做探究“合力的功和物體速度變化的關系”的實驗，圖1中小車是在1條橡皮筋作用下彈出，沿木板滑行，這時橡皮筋對小車做的功記為W。當用2條、3條……完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次……實驗時，使每次實驗中橡皮筋伸長的長度都保持一致。每次實驗中小車獲得的速度由打點計時器所打的紙帶測出。圖1(1)除了圖中已有的實驗器材外，還需要導線、開關、________(填測量工具)和________(選填“交流”或“直流”)電源。(2)實驗中，小車會受到摩擦阻力的作用，可以使木板適當傾斜來平衡摩擦阻力，則下面操作正確的是________。A.放開小車，能夠自由下滑即可B.放開小車，能夠勻速下滑即可C.放開拖著紙帶的小車，能夠自由下滑即可D.放開拖著紙帶的小車，能夠勻速下滑即可(3)若木板水平放置，小車在兩條橡皮筋作用下運動，當小車速度最大時，關于橡皮筋所處的狀態(tài)與小車所在的位置，下列說法正確的是________。A.橡皮筋處于原長狀態(tài)B.橡皮筋仍處于伸長狀態(tài)C.小車在兩個鐵釘?shù)倪B線處D.小車已過兩個鐵釘?shù)倪B線(4)在正確操作情況下，打在紙帶上的點并不都是均勻的，為了測量小車獲得的速度，應選用圖2中紙帶的________部分進行測量。圖2答案(1)刻度尺交流(2)D(3)B(4)GK解析(1)為測量小車獲得的速度，必須用刻度尺來測量紙帶上點和點之間的距離；打點計時器必須使用交流電源。(2)平衡摩擦力時，也要平衡紙帶與限位孔之間的摩擦力。根據(jù)平衡狀態(tài)的特點，小車做勻速運動時即平衡了摩擦力，D正確。(3)若木板水平放置，則未平衡摩擦力。小車速度最大時，也就是加速度為零的時刻，即橡皮筋對小車的拉力等于小車受到的摩擦力的時刻，此時橡皮筋處于伸長狀態(tài)，小車還未到兩個鐵釘?shù)倪B線處，B正確。(4)應該選用紙帶上小車做勻速運動的部分進行測量，此時小車的速度最大，即GK部分?！菊骖}示例2】(2019·江蘇卷)某興趣小組用如圖3所示的裝置驗證動能定理。圖3(1)有兩種工作頻率均為50Hz的打點計時器供實驗選用：A.電磁打點計時器B.電火花打點計時器為使紙帶在運動時受到的阻力較小，應選擇________(選填“A”或“B”)。(2)保持長木板水平，將紙帶固定在小車后端，紙帶穿過打點計時器的限位孔。實驗中，為消除摩擦力的影響，在砝碼盤中慢慢加入沙子，直到小車開始運動。同學甲認為此時摩擦力的影響已得到消除。同學乙認為還應從盤中取出適量沙子，直至輕推小車觀察到小車做勻速運動?？捶ㄕ_的同學是________(選填“甲”或“乙”)。(3)消除摩擦力的影響后，在砝碼盤中加入砝碼。接通打點計時器電源，松開小車，小車運動。紙帶被打出一系列點，其中的一段如圖4所示。圖中紙帶按實際尺寸畫出，紙帶上A點的速度vA＝________m/s。圖4(4)測出小車的質量為M，再測出紙帶上起點到A點的距離為L。小車動能的變化量可用ΔEk＝eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,A)算出。砝碼盤中砝碼的質量為m，重力加速度為g。實驗中，小車的質量應________(選填“遠大于”“遠小于”或“接近”)砝碼、砝碼盤和沙子的總質量，小車所受合力做的功可用W＝mgL算出。多次測量，若W與ΔEk均基本相等則驗證了動能定理。答案(1)B(2)乙(3)0.31(0.30～0.33都算對)(4)遠大于解析(1)電磁打點計時器打點計時時振針與紙帶之間的摩擦較大；電火花打點計時器是電磁脈沖產生的電火花在紙帶上打點，紙帶所受阻力較小，故選B。(2)由于剛開始運動，拉力克服最大靜摩擦力，而最大靜摩擦力略大于滑動摩擦力，故平衡摩擦力的兩種說法中，乙同學正確。(3)取與A點相鄰的兩點。用毫米刻度尺測出兩點之間的距離，如圖所示。用平均速度表示A點的瞬時速度，vA＝eq\f(x,2T)＝eq\f(12.4×10－3,2×0.02)m/s＝0.31m/s。(4)本實驗要驗證的表達式是mgL＝eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,A)，用砝碼的重力表示拉力的前提是m?M。類型二實驗拓展創(chuàng)新【真題示例3】(2021·河北卷)某同學利用圖5中的實驗裝置探究機械能變化量與力做功的關系。所用器材有：一端帶滑輪的長木板、輕細繩、50g的鉤碼若干、光電門2個、數(shù)字計時器、帶遮光條的滑塊(質量為200g，其上可放鉤碼)、刻度尺。當?shù)刂亓铀俣葹?.80m/s2。實驗操作步驟如下：圖5①安裝器材，調整兩個光電門距離為50.00cm，輕細繩下端懸掛4個鉤碼，如圖5所示；②接通電源，釋放滑塊，分別記錄遮光條通過兩個光電門的時間，并計算出滑塊通過兩個光電門的速度；③保持繩下端懸掛4個鉤碼不變，在滑塊上依次增加一個鉤碼，記錄滑塊上所載鉤碼的質量，重復上述步驟；④完成5次測量后，計算出每次實驗中滑塊及所載鉤碼的總質量M、系統(tǒng)(包含滑塊、滑塊所載鉤碼和輕細繩懸掛鉤碼)總動能的增加量ΔEk及系統(tǒng)總機械能的減少量ΔE，結果如下表所示。M/kg0.2000.2500.3000.3500.400ΔEk/J0.5870.4900.3920.2940.195ΔE/J0.3930.4900.6860.785回答下列問題：(1)實驗中輕細繩所懸掛鉤碼重力勢能的減少量為______J(保留3位有效數(shù)字)；(2)步驟④中的表格所缺數(shù)據(jù)為________；(3)以M為橫軸，ΔE為縱軸，選擇合適的標度，在圖6中繪出ΔE－M圖象；圖6若只考慮滑塊與木板之間的摩擦力做功，則滑塊與木板之間的動摩擦因數(shù)為________(保留2位有效數(shù)字)。答案(1)0.980(2)0.588(3)見解析圖0.40解析(1)實驗中輕細繩所懸掛鉤碼重力勢能的減少量ΔEp＝4mgL＝4×0.05kg×9.80m/s2×0.50m＝0.980J。(2)根據(jù)能量守恒定律得ΔE3＝ΔEp－ΔEk3＝0.980J－0.392J＝0.588J。(3)根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)描點、連線，得到ΔE－M圖象如圖所示。由功能關系得ΔE＝μMgL＝μgLM，可知k＝μgL＝eq\f(0.79－0.39,0.400－0.200)，解得μ＝0.40。從實驗器材、實驗原理、數(shù)據(jù)處理等方面分析創(chuàng)新點?實驗目的的創(chuàng)新：本實驗的實驗目的變?yōu)樘骄繖C械能變化量與力做功的關系。?實驗器材和原理的創(chuàng)新：本實驗通過光電門記錄時間，測量速度。?實驗數(shù)據(jù)處理的創(chuàng)新：系統(tǒng)總動能的增加量ΔEk及系統(tǒng)總機槭能的減少量ΔE，通過ΔE－M分析數(shù)據(jù)。(2021·山東卷)某乒乓球愛好者，利用手機研究乒乓球與球臺碰撞過程中能量損失的情況。實驗步驟如下：①固定好手機，打開錄音功能；②從一定高度由靜止釋放乒乓球；③手機記錄下乒乓球與臺面碰撞的聲音，其隨時間(單位：s)的變化圖象如圖7所示。圖7根據(jù)聲音圖象記錄的碰撞次序及相應碰撞時刻，如下表所示。碰撞次序1234567碰撞時刻/s1.121.582.002.402.783.143.47根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，回答下列問題：(1)利用碰撞時間間隔，計算出第3次碰撞后乒乓球的彈起高度為________m(保留2位有效數(shù)字，當?shù)刂亓铀俣萭＝9.80m/s2)。(2)設碰撞后彈起瞬間與該次碰撞前瞬間速度大小的比值為k，則每次碰撞損失的動能為碰撞前動能的________倍(用k表示)，第3次碰撞過程中k＝________(保留2位有效數(shù)字)。(3)由于存在空氣阻力，第(1)問中計算的彈起高度________(填“高于”或“低于”)實際彈起高度。答案(1)0.20(2)1－k20.95(3)高于解析(1)第3次碰撞到第4次碰撞用時t0＝2.40s－2.00s＝0.40s，根據(jù)豎直上拋和自由落體運動的對稱性可知第3次碰撞后乒乓球彈起的高度為h0＝eq\f(1,2)geq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(t0,2)))eq\s\up12(2)＝eq\f(1,2)×9.8×0.22m≈0.20m。(2)碰撞后彈起瞬間速度為v2，碰撞前瞬間速度為v1，根據(jù)題意可知eq\f(v2,v1)＝k則每次碰撞損失的動能與碰撞前動能的比值為eq\f(\f(1,2)mveq\o\al(2,1)－\f(1,2)mveq\o\al(2,2),\f(1,2)mveq\o\al(2,1))＝1－eq\f(\f(1,2)mveq\o\al(2,2),\f(1,2)mveq\o\al(2,1))＝1－k2第3次碰撞前瞬間速度為第2次碰后從最高點落地瞬間的速度v＝gt＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\