（廣東專用）高考物理一輪復(fù)習(xí)方案 實驗5 探究動能定理（含解析）

實驗(五)[實驗5探究動能定理]1．在“探究恒力做功與物體的動能改變量的關(guān)系”的實驗中備有下列器材：A．電磁打點計時器；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S5－1所示是打點計時器打出的小車(質(zhì)量為m)在恒力作用下做勻加速直線運動的紙帶．測量數(shù)據(jù)已用字母表示在圖中，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S5－12．在探究“恒力做功和物體動能變化之間的關(guān)系”的實驗中，某同學(xué)的實驗設(shè)計方案如圖S5－2所示．則：圖S5－2(1)該實驗用鉤碼的重力表示小車受到的合外力，在安裝時首先要______________________，其次鉤碼和小車還需要滿足的條件是________________________________________________________________________．(2)實驗中，除位移、速度外，還需要測出的物理量有________________________________________________________________________.(3)在上述實驗中，打點計時器使用的交流電頻率為50Hz.某同學(xué)打出的一段紙帶如圖S5－3所示，則小車勻速運動時的速度大小為______m/s.(計算結(jié)果保留3位有效數(shù)字)圖S5－33．在追尋科學(xué)家研究足跡的過程中，某同學(xué)為探究恒力做功和物體動能變化間的關(guān)系，采用了如圖S5－4甲所示的“探究物體加速度與物體質(zhì)量、受力之間關(guān)系”的實驗裝置．圖S5－4(1)實驗時，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的實驗誤差，你認為在實驗中應(yīng)該采取的兩項措施是________和________．(2)如圖S5－5所示是實驗中得到的一條紙帶，其中A、B、C、D、E、F是連續(xù)的六個計數(shù)點，相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T，相鄰計數(shù)點間距離已在圖中標(biāo)出，測出滑塊的質(zhì)量為M，鉤碼的總質(zhì)量為m.從打B點到打E點的過程中，為達到實驗?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表示)．圖S5－54．某實驗小組采用如圖S5－6所示的裝置探究動能定理，小車內(nèi)可放置砝碼．實驗中小車碰到制動裝置時，鉤碼沒有到達地面，打點計時器的工作頻率為50Hz.圖S5－6(1)如圖S5－7所示是實驗中得到的一條紙帶，在紙帶上選擇起始點O及A、B、C、D、E五個計數(shù)點，可獲得各計數(shù)點到O的距離s及對應(yīng)時刻小車的瞬時速度v，如下表所示．請將C點的測量結(jié)果填在表中相應(yīng)位置．圖S5－7測量點OABCDEs/cm0.001.513.20____7.159.41v/m·s－10.350.400.45____0.540.60(2)實驗小組根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出了如圖S5－8所示的圖線(其中Δv2＝v2－v)，根據(jù)圖線可獲得的結(jié)論是________________________．要驗證動能定理，還需測量的物理量是摩擦力f和____________．圖S5－85．·豫北六校聯(lián)考某探究小組利用氣墊導(dǎo)軌和光電門計時器等裝置(如圖S5－9所示)探究動能定理．他們通過改變滑輪下端的小盤中沙子的質(zhì)量來改變滑塊水平方向的拉力；滑塊上裝有寬為d的擋光片．實驗中，用天平稱出小盤和沙子的總質(zhì)量為m，滑塊(帶擋光片)的質(zhì)量為M，計時器顯示擋光片經(jīng)過光電門1和2的時間分別為Δt1、Δt2.圖S5－9(1)在滿足______的條件下，才可以認為小盤和沙子的重力所做的功等于滑塊動能的改變量．(2)實驗中還必須測量的物理量是______，試寫出本次探究的原理表達式(用測量量和已知量表示)________________________．(3)寫出一個減小本實驗誤差的方法：__________________________________________．6．為了“探究外力做功與物體動能變化的關(guān)系”，查資料得知，彈簧的彈性勢能Ep＝eq\f(1,2)kx2，其中k是彈簧的勁度系數(shù)，x是彈簧長度的變化量．某同學(xué)就設(shè)想用壓縮的彈簧推靜止的小球(質(zhì)量為m)運動來探究這一問題．為了研究方便，把小球O放在水平桌面上做實驗，讓小球O在彈力作用下運動，即只有彈簧推力做功．該同學(xué)設(shè)計實驗如下：首先進行如圖S5－10甲所示的實驗：將輕質(zhì)彈簧豎直掛起來，在彈簧的另一端掛上小球O，靜止時測得彈簧的伸長量為d.在此步驟中，目的是要確定物理量______，用m、d、g表示為______．接著進行如圖乙所示的實驗：將這根彈簧水平放在桌面上，一端固定，另一端被小球O壓縮，測得壓縮量為x，釋放彈簧后，小球O被推出去，從高為h的水平桌面上拋出，小球O在空中運動的水平距離為L.小球O的初動能Ek1＝______．小球O的末動能Ek2＝______．彈簧對小球O做的功W＝______(用m、x、d、g表示)．對比W和Ek2－Ek1就可以得出“外力做功與物體動能變化的關(guān)系”，若在實驗誤差允許范圍內(nèi)，外力所做的功等于物體動能的變化．甲乙圖S5－10

實驗(五)1．(1)C、E毫米刻度尺(2)電磁打點計時器天平(3)略[解析](1)計算小車速度是利用打上點的紙帶，故不需要秒表．電磁打點計時器應(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)測量時間的工具是電磁打點計時器，測量質(zhì)量的工具是天平．(3)能．從A到B的過程中，恒力做的功為WAB＝FsAB，物體動能的變化量為EkB－EkA＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)＝eq\f(1,2)meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(sB,2T)))eq\s\up12(2)－eq\f(1,2)meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(sA,2T)))eq\s\up12(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，F(xiàn)為砝碼的重力，可讀?。畠?yōu)點：A、B兩點的距離較遠，測量時的相對誤差較??；缺點：只進行了一次測量驗證，說服力不強．2．(1)平衡小車與木板之間的摩擦力鉤碼的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量(2)鉤碼的重力和小車的總質(zhì)量(3)1.40[解析](1)本實驗在安裝儀器時首先要平衡摩擦力；由牛頓第二定律可知mg＝(M＋m)a，即a＝eq\f(mg,M＋m)，只有當(dāng)M?m時，a≈eq\f(mg,M)，鉤碼的重力近似為小車受到的合外力．(2)由(1)可以看出實驗中還需要測量的物理量為鉤碼的重力和小車的總質(zhì)量．(3)由紙帶上對應(yīng)點可以讀出小車勻速運動時v＝eq\f(s,T)＝eq\f(28mm,0.02s)＝1.40m/s.3．(1)保證鉤碼的總質(zhì)量遠小于滑塊的質(zhì)量平衡摩擦力(2)mg(s2＋s3＋s4)eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(s4＋s5,2T)))eq\s\up12(2)－eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(s1＋s2,2T)))eq\s\up12(2)[解析](1)鉤碼的總質(zhì)量應(yīng)遠小于滑塊質(zhì)量，且墊高遠離滑輪一端的木板以平衡摩擦力才能使鉤碼的重力近似等于滑塊所受合力．(2)實驗的目的是探究恒力做功和物體動能變化之間的關(guān)系，從B到E，恒力做功即mg(s2＋s3＋s4)，動能變化eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(s4＋s5,2T)))eq\s\up12(2)－eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(s1＋s2,2T)))eq\s\up12(2)，所以需要尋找它們之間的關(guān)系．4．(1)5.080.49(2)Δv2∝s(速度平方的變化與位移成正比)小車的質(zhì)量[解析](1)C點到O點的距離s可由紙帶分析得出為6.08cm－1.00cm＝5.08cm.C點對應(yīng)小車的瞬時速度等于B、D兩點間的平均速度，vC＝eq\f(sBD,4T0)＝0.49m(2)根據(jù)Δv2－s圖象為過坐標(biāo)原點的一條直線可得出Δv2∝s的結(jié)論．驗證動能定理需求解合外力所做的功及小車和砝碼動能的變化．合外力做功W合＝mgx－fs(其中f為小車受的摩擦力，s為小車的位移)，小車和砝碼動能的變化ΔEk＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)＝eq\f(1,2)mΔv2，所以還需測出小車的質(zhì)量．5．(1)m?M(2)兩光電門之間的距離xmgx＝eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt2)))eq\s\up12(2)－eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt1)))eq\s\up12(2)(3)適當(dāng)減小擋光片的寬度；適當(dāng)增大光電門間的距離[解析](1)設(shè)繩子拉力為F，根據(jù)牛頓第二定律，對小盤和沙子，有：mg－F＝ma；對滑塊有：F＝Ma.整理得F＝eq\f(M,M＋m)mg＝(1－eq\f(m,M＋m))mg.只有當(dāng)m?M時，才可認為F≈mg，即小盤和沙子的重力做的功等于滑塊動能的改變量．(2)滑塊經(jīng)過兩光電門的速度可表示為eq\f(d,Δt1)和eq\f(d,Δt2)，重力做的功為mgx，動能變化為eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt2)))eq\s\up12(2)－eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt1)))eq\s\up12(2)，故表達式為mgx＝eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt2)))eq\s\up12(2)－eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt1)))eq\s\up12(2).(3)適當(dāng)減小擋光片寬度，可使eq\f(d,Δt1)和eq\f(d,Δt2)更接近滑塊經(jīng)過兩個位置的瞬時速度；適當(dāng)增大光電門間距離x，可減小因測量帶來的相對誤差．6．彈簧的勁度系數(shù)keq\f(mg,d)0eq\f(mgL2,4h)