高考物理創(chuàng)新（基礎(chǔ)課能力課實驗課）版第五章機械能實驗四

實驗四探究動能定理誤差分析1.誤差的主要來源是橡皮筋的長度、粗細不一，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。注意事項1.平衡摩擦力：將木板一端墊高，使小車重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡。方法是輕推小車，由打點計時器打在紙帶上的點的均勻程度判斷小車是否勻速運動，找到木板一個合適的傾角。2.選點測速：測小車速度時，紙帶上的點應(yīng)選均勻部分的，也就是選小車做勻速運動狀態(tài)的。3.橡皮筋的選擇：橡皮筋規(guī)格相同時，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。

熱點一實驗原理與實驗操作【例1】(2017·江蘇省蘇北四市高三第一次模擬考試)如圖1甲所示，在“探究功與速度變化的關(guān)系”的實驗中，主要過程如下：A.設(shè)法讓橡皮筋對小車做的功分別為W、2W、3W、…。B.分析紙帶，求出橡皮筋做功使小車獲得的速度v1、v2、v3、…。C.作出W－v圖象。D.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∝eq\r(v)等關(guān)系。(1)實驗中得到的一條如圖乙所示的紙帶，求小車獲得的速度應(yīng)選________(填“AB”或“CD”)段來計算。圖1(2)關(guān)于該實驗，下列說法中正確的有________。A.通過增加橡皮筋的條數(shù)可以使橡皮筋對小車做的功成整數(shù)倍增加B.通過改變小車質(zhì)量可以改變橡皮筋對小車做的功C.每次實驗中，橡皮筋拉伸的長度必需保持一致D.先接通電源，再讓小車在橡皮筋的作用下彈出(3)在該實驗中，打點計時器正常工作，紙帶足夠長，點跡清晰的紙帶上并沒有出現(xiàn)一段等間距的點，造成這種情況的原因可能是____________________________________________________________________________________。(寫出一條即可)解析(1)應(yīng)取小車勻速運動時計算小車的速度，選CD段計算。(2)橡皮筋的條數(shù)與做功多少成正比，選項A正確；橡皮筋做功多少由橡皮筋決定，與小車質(zhì)量無關(guān)，選項B錯誤；要保證橡皮筋的勢能成倍增加，每次實驗橡皮筋拉伸長度應(yīng)相同，選項C正確；先接通電源，打點計時器正常工作后釋放小車，選項D正確。(3)若沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力過度，小車不勻速運動，紙帶上不會出現(xiàn)等間距的點。答案(1)CD(2)ACD(3)沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力過度(或木板的傾角過大或過小)熱點二數(shù)據(jù)處理與分析【例2】(2017·江蘇單科，10)利用如圖2甲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2(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________。(2)掛上鉤碼，按實驗要求打出的一條紙帶如圖3所示。選擇某一點為O，依次每隔4個計時點取一個計數(shù)點。用刻度尺量出相鄰計數(shù)點間的距離Δx，記錄在紙帶上。計算打出各計數(shù)點時小車的速度v，其中打出計數(shù)點“1”時小車的速度v1＝________m/s。圖3(3)將鉤碼的重力視為小車受到的拉力，取g＝9.80m/s2，利用W＝mgΔx算出拉力對小車做的功W。利用Ek＝eq\f(1,2)Mv2算出小車動能，并求出動能的變化量ΔEk。計算結(jié)果見下表。W/×10－3J2.452.923.353.814.26ΔEk/×10－3J2.312.733.123.614.00請根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在方格紙上作出ΔEk－W圖象。(4)實驗結(jié)果表明，ΔEk總是略小于W。某同學猜想是由于小車所受拉力小于鉤碼重力造成的。用題中小車和鉤碼質(zhì)量的數(shù)據(jù)可算出小車受到的實際拉力F＝________N。解析(1)該實驗?zāi)芷胶庑≤囁苣Σ亮Φ臉酥臼窃谛泵嫔陷p推小車，小車能做勻速直線運動。(2)由題意可知，兩相鄰計數(shù)點間的時間T＝5×0.02s＝0.1s，在勻變速直線運動中，一段時間的中間時刻的瞬時速度等于平均速度，則v1＝eq\f(x1＋x2,2T)＝eq\f(2.06＋2.50,2×0.1)×10－2m/s＝0.228m/s。(3)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在方格紙上描點、連線如圖所示。(4)對小車受力分析，由牛頓第二定律得，F(xiàn)＝Ma，同理對鉤碼有，mg－F＝ma，聯(lián)立解得，F(xiàn)＝eq\f(M,M＋m)mg＝0.093N。答案(1)小車做勻速運動(2)0.228(3)見解析(4)0.093熱點三實驗的改進與創(chuàng)新1.實驗器材的改進用拉力傳感器測量拉力，用速度傳感器測量速度，用光電門計算速度。2.實驗方案的創(chuàng)新(1)利用自由落體運動探究功和動能的關(guān)系。(2)研究小車以不同的初速度沿粗糙水平面滑動的距離，得出小車的初動能大小與克服摩擦力做功的情況，也可探究動能定理。(3)讓小球從斜面上某高處滾下，然后做平拋運動等?！纠?】(2017·江蘇省鹽城市高三第三次模擬考試)某同學利用如圖4所示的氣墊導軌裝置探究動能定理。在氣墊導軌上安裝了光電門，滑塊上固定寬度為D的遮光條，用細線繞過定滑輪將質(zhì)量為M的滑塊(含遮光條)與重物相連，細線與導軌平行。實驗中把重物的重力當做滑塊受到的牽引力，每次滑塊都從A處由靜止釋放，此處遮光條到光電門間距離為L。重物的質(zhì)量用m表示，遮光條通過光電門的時間用t表示。圖4(1)實驗前調(diào)整氣墊導軌水平，其目的是__________________________________。(2)實驗中把重物的重力當做滑塊受到的牽引力，需滿足的條件是____________________________________________________________________。(3)實驗中保持L不變，通過改變________________來改變牽引力做的功。(4)在處理實驗數(shù)據(jù)時，四組同學建立下列四種坐標系，正確的是____________________________________________________________________。解析(1)氣墊導軌無摩擦力作用，要使滑塊重力不做功，應(yīng)調(diào)節(jié)氣墊導軌使之水平。(2)重物與滑塊的加速度大小相等，假設(shè)細繩的作用力為T，則有mg－T＝ma，T＝Ma，聯(lián)立兩式有mg＝(M＋m)a，若要把重物的重力當做滑塊受到的牽引力，則應(yīng)該有mg＝Ma，所以需滿足的條件是重物質(zhì)量m遠小于滑塊質(zhì)量M。(3)實驗中把重物的重力當做滑塊受到的牽引力，則牽引力做的功為W＝mgL，保持L不變，則應(yīng)通過改變重物的質(zhì)量m來改變牽引力做的功。(4)本實驗探究的是重物的重力所做的功mgL是否等于滑塊動能的增加量eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(D,t)))eq\s\up12(2)，選項C正確，A、B、D錯誤。答案(1)使滑塊重力不做功(2)重物質(zhì)量m遠小于滑塊質(zhì)量M(3)重物的質(zhì)量m(4)C(2017·江蘇省蘇錫常鎮(zhèn)高三第三次模擬考試)圖5是小明探究橡皮筋彈力做的功W與小車動能變化ΔEk間的關(guān)系的裝置圖，長木板放在水平桌面上，橡皮筋的兩端分別與小車和擋板相連。實驗中，通過增減橡皮筋的根數(shù)來改變彈力所做的功。圖5圖6圖7(1)下列實驗操作正確的是________。A.實驗時，應(yīng)先釋放小車，然后接通電源B.增加橡皮筋根數(shù)時，應(yīng)選取相同的橡皮筋C.每次應(yīng)將小車拉到相同的位置由靜止釋放D.實驗前應(yīng)先平衡小車在木板上所受的摩擦力(2)圖6是某次實驗中的一條紙帶，相鄰計數(shù)點間時間T＝0.02s，為得到本次實驗小車動能的變化，你求得的小車速度v＝________m/s。(3)由實驗數(shù)據(jù)畫出的W－ΔEk圖象如圖7所示，小明認為由圖象能得出“橡皮筋彈力做的功等于小車動能變化”的實驗結(jié)論，你同意嗎？________(填“同意”或“不同意”)。你的理由是_______________________________________________。解析(1)本實驗通過改變橡皮筋的根數(shù)來改變橡皮筋所做的功，設(shè)一根橡皮筋所做的功為W0，則n根相同的橡皮筋所做的功為W＝nW0，選項B正確；為使每次每根橡皮筋所做的功相同，每次都應(yīng)將小車拉到相同的位置由靜止釋放，選項C正確；要使橡皮筋所做的功等于小車動能的變化，應(yīng)先平衡小車在木板上的摩擦力，選項D正確；實驗操作時先接通電源，后釋放小車，選項A錯誤。(2)小車達最大速度時做勻速直線運動，v＝eq\f(s,t)＝eq\f(1.8×10－2,0.02)m/s＝0.9m/s。(3)不同意，實驗中不能測出橡皮筋彈力所做功的具體數(shù)據(jù)。答案(1)BCD(2)0.9(3)不同意實驗中不能測出橡皮筋彈力所做功的具體數(shù)據(jù)活頁作業(yè)(時間：30分鐘)1.某學習小組做“探究功與速度變化的關(guān)系”的實驗如圖1所示，圖中小車是在一條橡皮筋作用下彈出的，沿木板滑行，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(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根據(jù)打點計時器所打在紙帶上的點進行計算。圖1(1)除了圖中已有的實驗器材外，還需要導線、開關(guān)、刻度尺和________(填“交流”或“直流”)電源。(2)實驗中，小車會受到摩擦力的作用，可以使木板適當傾斜來平衡摩擦力，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(guān)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)(4)在正確操作的情況下，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(yīng)選用紙帶的________部分進行測量(根據(jù)圖2所示的紙帶回答)。圖2解析(1)打點計時器使用的是交流電源。(2)平衡摩擦力時，應(yīng)將紙帶穿過打點計時器，放開拖著紙帶的小車，小車能夠勻速下滑即可，D正確。(3)水平放置木板，放開小車后，小車做加速運動，當橡皮筋的拉力大小等于摩擦力大小時，小車的速度最大，此時橡皮筋仍處于伸長狀態(tài)，B正確。(4)從紙帶上看，紙帶的GJ段打點比較均勻，所以應(yīng)選用紙帶的GJ段進行測量。答案(1)交流(2)D(3)B(4)GJ2.某實驗小組要探究力對物體做的功與物體獲得的速度的關(guān)系。(1)實驗時，在未連接橡皮筋時將木板的左端用小木塊墊起，使木板傾斜合適的角度，打開打點計時器，輕推小車，最終得到如圖3甲所示的紙帶，這樣做的目的是___________________________________________________________________。圖3(2)在正確操作的情況下，打在紙帶上的點并不都是均勻分布的，為了計算小車獲得的速度，應(yīng)選用圖乙紙帶的________(填“A～F”或“F～I”)部分。(3)小車在一條橡皮筋的作用下由某位置靜止彈出，沿木板滑行，當小車的速度最大時，橡皮筋對小車做的功為W。再用完全相同的2條、3條、…、n條橡皮筋作用于小車上，每次在________(填“相同”或“不相同”)的位置由靜止釋放小車，使橡皮筋對小車做的功分別為2W、3W、…、nW。(4)分析打點計時器打出的紙帶，分別求出小車每次獲得的最大速度v1、v2、v3、…、vn，作出W－v圖象。則下列符合實際的圖象是________(填字母序號)。解析(1)紙帶上打出的點跡均勻，說明小車做勻速運動，這樣做的目的是平衡摩擦力。(2)紙帶在橡皮筋的拉力作用下做加速運動，橡皮筋做功完畢后，小車的速度達到最大，之后做勻速運動，因此勻速運動時的速度即為該過程中小車的最大速度，故為了測量小車獲得的速度，應(yīng)選用紙帶上點跡均勻分布的部分測量，即F～I。(3)橡皮筋的拉力為變力，采用倍增法增加功，使小車在一條橡皮筋的作用下由靜止彈出，當小車的速度最大時，橡皮筋對小車做的功為W；再用完全相同的2條、3條、…、n條橡皮筋作用于小車上，每次由靜止釋放小車時橡皮筋的伸長量都相同，使橡皮筋對小車做的功分別為2W、3W、…nW，所以每次應(yīng)在相同的位置由靜止釋放小車。(4)功與速度的平方相對應(yīng)，所以圖象應(yīng)為D。答案(1)平衡摩擦力(2)F～I(3)相同(4)D3.(2017·江蘇省通、泰、揚、徐、淮、宿高三第二次模擬考試)探究外力做功與物體動能變化關(guān)系的實驗裝置如圖4所示，根據(jù)實驗中力傳感器讀數(shù)和電磁打點計時器打出紙帶的測量數(shù)據(jù)等可分別求得外力對小車做功和小車動能的變化。圖4(1)關(guān)于該實驗，下列說法正確的有________。A.調(diào)整墊塊的高度，改變鉤碼質(zhì)量，使小車能在木板上做勻速運動B.調(diào)整滑輪的高度，使連接小車的細線與木板平行C.實驗中要始終滿足鉤碼的質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量D.若紙帶上打出的是短線，可能是小車運動的速度過快(2)除了圖中所注明的器材外，實驗中還需要交流電源、導線、刻度尺和________。(3)某次實驗中打出了一根紙帶，其中一部分如圖5所示，各個打點是連續(xù)的計時點，A、B、D、E、F各點與O點的距離如圖5所示，若小車質(zhì)量為m、打點周期為T，且已讀出這次實驗過程中力傳感器的讀數(shù)F，則A、E兩點間外力做功W＝________，小車動能變化ΔEk＝________；在不同次實驗中測得多組外力做功Wi和動能變化ΔEki的數(shù)據(jù)，作出W－ΔEk圖象如圖6所示，圖線斜率約等于1，由此得到結(jié)論是____________________________________________________________________________________________________________________________。圖5圖6(4)每次實驗結(jié)果顯示，拉力F做的功W總略小于小車動能的變化ΔEk，請分析出現(xiàn)這種情況的可能原因______________________________________________________________________________________________________________。(寫出1條)解析(1)調(diào)整墊塊的高度，不掛鉤碼使小車能在木板上做勻速運動，A項錯誤；調(diào)整滑輪的高度，使連接小車的細線與木板平行，確保拉力與小車運動方向平行，B項正確；因為實驗中用的拉力傳感器，所以不需要滿足實驗中要始終滿足鉤碼的質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量，C項錯誤；若小車運動的速度過快或者振針距離紙帶太近，都會造成紙帶上打出的是短線，D項正確。(2)需要天平測量小車的質(zhì)量。(3)力傳感器的讀數(shù)F，位移為s4－s1，所以鉤碼對小車拉力做功為F(s4－s1)。小車動能變化ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,E)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)＝eq\f(1,2)meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(s5－s3,2T)))eq\s\up12(2)－eq\f(1,2)meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(s2,2T)))eq\s\up12(2)＝eq\f(m（s5－s3）2－mseq\o\al(2,2),8T2)。若拉力做功與動能變化量相等，說明外力對物體所做的功等于物體動能的增量。(4)拉力F做的功W總略小于小車動能的變化ΔEk，說明有其他動力做功，即平衡摩擦力時木板墊得偏高。答案(1)BD(2)天平(3)F(s4－s1)eq\f(m（s5－s3）2－mseq\o\al(2,2),8T2)外力對物體所做的功等于物體動能的增量(4)平衡摩擦力時木板墊得偏高4.(2017·江蘇省連云港市、宿遷市、徐州市高三第三次模擬考試)用圖7甲裝置探究細繩拉力(近似等于懸掛鉤碼重力)做功和小車動能變化的關(guān)系。圖7(1)關(guān)于實驗操作，下列說法中正確的有________。A.需要測出小車與鉤碼的質(zhì)量B.需要墊高木板右端以平衡摩擦力C.需要控制鉤碼的質(zhì)量遠大于小車的質(zhì)量D.必須在接通打點計時器的同時釋放小車(2)某次獲得的紙帶如圖乙所示。已知相鄰兩點時間間隔為T，小車與鉤碼的質(zhì)量分別為M和m，重力加速度為g，從A點到B點的過程中，拉力對小車做的功為________，小車動能的變化量為________。(用題中及圖中字母表示)(3)在實驗操作正確的情況下，分析多組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，拉力對小車做的功總是大于小車動能的變化量，原因是_____________________________________________________________________________________________________________________。解析(1)要有細繩的拉力近似等于懸掛鉤碼的重力，則應(yīng)在實驗操作前先平衡摩擦力，讓細繩平行于長木板，使得細繩的拉力等于小車的合外力，滿足鉤碼的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量，選項B正確，C錯誤；要計算小車的動能，必須要測量小車的質(zhì)量，要計算細繩拉力所做的功，則需要測量鉤碼的質(zhì)量，選項A正確；實驗操作時先接通電源后釋放小車，選項D錯誤。(2)細繩拉力所做的功等于鉤碼的重力乘以位移，W＝mg(x2＋x3＋x4)，小車動能的變化量為ΔEk＝eq\f(1,2)M(veq\o\al(2,B)－veq\o\al(2,A))＝Meq\f(（x4＋x5）2－（x1＋x2）2,8T2)。(3)實驗操作正確的情況下，若拉力對小車做的功總是大于小車動能的變化量，則說明鉤碼的重力大于細繩中的拉力。答案(1)AB(2)mg(x2＋x3＋x4)Meq\f(（x4＋x5）2－（x1＋x2）2,8T2)(3)鉤碼的重力大于細繩中的拉力5.(2017·南京、鹽城高三二模)如圖8所示，某研究性學習小組為探究“物體的動能與速度關(guān)系”設(shè)計了如下實驗：平直軌道B固定在水平桌面上。彈射裝置A固定于軌道上，小球被勁度系數(shù)較大的壓縮彈簧彈出后從軌道端點O滑出做平拋運動落到地面。已知彈簧的彈性勢能的表達式為Ep＝eq\f(1,2)kx2，式中的k為彈簧的勁度系數(shù)，x為彈簧的形變量。圖8(1)為減少實驗誤差，彈射裝置距離軌道端點O應(yīng)該________(選填“近些”或“遠些”)。(2)要探究動能與速度的關(guān)系，實驗中是否一定要測量桌面的高度，________(選填“是”或“否”)。(3)在實驗過程中改變彈簧的壓縮量x，并測出與其對應(yīng)的小球做平拋運動的水平位移s。實驗數(shù)據(jù)如下表所示。次數(shù)12345x(cm)1.02.03.04.05.0s(m)0.320.650.951.081.60在坐標紙中根據(jù)已描出的點作出合理的圖線。(4)根據(jù)(3)中所作出的圖象，可以得出動能Ek與速度v的關(guān)系：________。請簡要說明理由，_________________________________________________________。解析(1)為了減小摩擦力做功，彈射裝置距離軌道端點O應(yīng)該近點。(2)要探究動能與速度的關(guān)系，實驗中不要測量桌面的高度。(4)Ek∝v2或者Ek＝kv2理由：能量守恒Ek＝Ep，由題意Ep＝eq\f(1,2)kx2，所以Ep∝x2，由圖x∝s，由平拋運動s∝v，所以Ek∝v2。答案(1)近些(2)否(3)如圖所示(4)Ek＝kv2理由見解析6.據(jù)報道，我國的第三艘航空母艦正在建造之中，其艦載機將采用彈射起飛方式。為了研究彈射器做功對飛機起飛速度的影響，某研究性學習小組用氣墊導軌、光電門等器材做了如下實驗：①用橡皮筋模擬彈射器，由于橡皮筋做的功不易測量，他們運用了一種叫做“倍分法”的思想：使用同種規(guī)格的橡皮筋，先后用一根、兩根、三根……去彈射滑塊，每次都將橡皮筋拉伸到同一位置釋放，這樣橡皮筋對滑塊做的功分別是W0、2W0、3W0、…。②如圖9所示，測量出滑塊彈射后遮光片通過光電門1的時間分別為t1、t2、t3、…。圖9③利用以上數(shù)據(jù)作出圖象，確定橡皮筋做功對滑塊彈射后的速度具體有什么影響。請回答下列問題：(1)實驗前需要調(diào)節(jié)氣墊導軌水平：打開氣源之后，給滑塊一個