（江蘇專(zhuān)用）2020版高考物理新增分大一輪復(fù)習(xí) 第五章 機(jī)械能 實(shí)驗(yàn)四 探究動(dòng)能定理講義（含解析）.docx

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實(shí)驗(yàn)四　探究動(dòng)能定理 1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 探究功與物體速度變化的關(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?shù)龋? 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＝mv2. 6．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． 7．實(shí)驗(yàn)探究的技巧與方法 (1)不直接計(jì)算W和v的數(shù)值，而只是看第2次、第3次……實(shí)驗(yàn)中的W和v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淮安市、宿遷市等期中)用圖2甲所示裝置探究“做功與物體速度變化的關(guān)系”，A、B是固定在長(zhǎng)直木板上的兩個(gè)鐵釘．實(shí)驗(yàn)時(shí)，小車(chē)在橡皮筋的作用下彈出，沿木板滑行，通過(guò)改變橡皮筋的條數(shù)改變做功的多少，再根據(jù)紙帶上的打點(diǎn)確定小車(chē)對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)的速度，進(jìn)而探究做功與物體速度變化的關(guān)系． 圖2 (1)關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的下列說(shuō)法中，正確的有________． A．需要測(cè)出小車(chē)的質(zhì)量m B．需要選擇相同的橡皮筋進(jìn)行實(shí)驗(yàn) C．需要測(cè)出每根橡皮筋對(duì)小車(chē)所做的功W D．改變橡皮筋條數(shù)時(shí)小車(chē)必須從同一位置由靜止釋放 (2)實(shí)驗(yàn)中得到一根紙帶如圖乙所示，1、2、3…是按時(shí)間先后順序標(biāo)出的計(jì)數(shù)點(diǎn)(每?jī)蓚€(gè)相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)打點(diǎn)未畫(huà)出)，造成圖乙各計(jì)數(shù)點(diǎn)間距不相等的原因可能是________．由圖乙所示的紙帶可知，該小車(chē)達(dá)到最大速度時(shí)，橡皮筋的伸長(zhǎng)量________(選填“大于零”或“等于零”)． (3)該小組用新、舊兩組橡皮筋分別做實(shí)驗(yàn)，正確實(shí)驗(yàn)操作得到橡皮筋的條數(shù)n與小車(chē)對(duì)應(yīng)速度v的多組數(shù)據(jù)，作出v2－n的圖象如圖丙中的C、D所示，則用新橡皮筋得出的圖象是________(選填“C”或“D”)，根據(jù)該圖象可以得出的結(jié)論是________． 答案　(1)BD　(2)沒(méi)有平衡摩擦或是沒(méi)有完全平衡摩擦 大于零　(3)C　v2與n成正比(或v2與橡皮筋對(duì)小車(chē)所做的功成正比) 解析　(1)此實(shí)驗(yàn)要驗(yàn)證的是W＝mv2，即W∝v2，則此實(shí)驗(yàn)中不需要測(cè)出小車(chē)的質(zhì)量m，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；為了保證每條橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功都一致，實(shí)驗(yàn)中需要選擇相同的橡皮筋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選項(xiàng)B正確；實(shí)驗(yàn)中不需要測(cè)出每根橡皮筋對(duì)小車(chē)所做的功W，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；改變橡皮筋條數(shù)時(shí)小車(chē)必須從同一位置由靜止釋放，選項(xiàng)D正確． (2)實(shí)驗(yàn)中若平衡了摩擦力，則小車(chē)在橡皮筋的作用下先加速運(yùn)動(dòng)，脫離橡皮筋后做勻速運(yùn)動(dòng)，則造成題圖乙各計(jì)數(shù)點(diǎn)間距不相等的原因可能是沒(méi)有平衡摩擦或是沒(méi)有完全平衡摩擦；由題圖乙所示的紙帶可知，由于沒(méi)有平衡摩擦力或沒(méi)有完全平衡摩擦，該小車(chē)達(dá)到最大速度時(shí)，加速度為零，此時(shí)橡皮筋仍有彈力，即伸長(zhǎng)量不為零． (3)舊橡皮筋的彈力小于新橡皮筋，則用同樣數(shù)量的新、舊橡皮筋做實(shí)驗(yàn)時(shí)，新橡皮筋使小車(chē)得到的速度較大，由圖象可知用新橡皮筋得出的圖象是C，根據(jù)該圖象可以得出的結(jié)論是：v2與n成正比(或v2與橡皮筋對(duì)小車(chē)所做的功成正比)． 命題點(diǎn)二　實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新 1．做功方式的創(chuàng)新 2．測(cè)量方式的創(chuàng)新 例2　(2018蘇錫常鎮(zhèn)二模)某同學(xué)用圖3甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置探究“恒力做功與小車(chē)動(dòng)能變化的關(guān)系”． 圖3 (1)為了能用砂和砂桶的總重力所做的功表示小車(chē)所受拉力做的功，本實(shí)驗(yàn)中小車(chē)質(zhì)量M________(填“需要”或“不需要”)遠(yuǎn)大于砂和砂桶的總質(zhì)量m. (2)圖乙為實(shí)驗(yàn)得到的一條清晰的紙帶，A、B、C、D、E、F、G是紙帶上7個(gè)連續(xù)的點(diǎn)，sAD＝________cm.已知電源頻率為50Hz，則打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在打D點(diǎn)時(shí)紙帶的速度v＝_______m/s (計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)． (3)該同學(xué)畫(huà)出小車(chē)動(dòng)能變化與拉力對(duì)小車(chē)所做的功的ΔEk－W關(guān)系圖象，由于實(shí)驗(yàn)前遺漏了平衡摩擦力這一關(guān)鍵步驟，他得到的實(shí)驗(yàn)圖線(實(shí)線)應(yīng)該是________． 答案　(1)需要　(2)2.10　0.50　(3)D 變式　(2018鹽城市三模)某同學(xué)利用如圖4所示的氣墊導(dǎo)軌裝置探究“恒力做功與物體動(dòng)能變化間的關(guān)系”．在氣墊導(dǎo)軌上安裝了光電門(mén)，滑塊上固定寬度為d的遮光條，用細(xì)線繞過(guò)定滑輪將質(zhì)量為M＝200g的滑塊(含遮光條)與質(zhì)量為m＝30g的重物相連，細(xì)線與導(dǎo)軌平行．實(shí)驗(yàn)時(shí)滑塊每次都從同一位置A處由靜止釋放，用x表示滑塊從靜止開(kāi)始到通過(guò)光電門(mén)的位移大小，用t表示遮光條通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間．改變光電門(mén)在氣墊導(dǎo)軌上的位置，測(cè)量不同x所對(duì)應(yīng)遮光條通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間t，再分別計(jì)算拉力做的功W和滑塊通過(guò)光電門(mén)時(shí)的動(dòng)能Ek. 圖4 (1)實(shí)驗(yàn)前調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平的目的是___________________________． (2)將重物的重力視為滑塊受到的拉力，取g＝9.80m/s2，用W＝mgx計(jì)算出拉力對(duì)滑塊做的功W，并計(jì)算出滑塊動(dòng)能增量ΔEk.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表： W/10－3J 7.35 8.82 10.29 11.76 13.23 14.70 ΔEk/10－3J 6.39 7.67 8.95 10.23 11.50 12.78 (W－ΔEk)/10－3J 0.96 1.15 1.34 1.53 1.73 1.92 ①實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ΔEk總是小于W.你認(rèn)為這是________(選填“偶然”或“系統(tǒng)”)誤差，簡(jiǎn)要說(shuō)明你的理由：________________________________________________. ②進(jìn)一步研究表明，拉力對(duì)小車(chē)做的功W和小車(chē)動(dòng)能增量ΔEk的差值(W－ΔEk)隨x增大而增大，用題中滑塊和重物的質(zhì)量可計(jì)算出(W－ΔEk)與x的比值＝________N．(計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 答案　(1)保證滑塊重力不做功　(2)①系統(tǒng)　ΔEk總是小于W，而不是或大或小，是系統(tǒng)誤差　②0.038 命題點(diǎn)三　實(shí)驗(yàn)拓展——用動(dòng)能定理測(cè)動(dòng)摩擦因數(shù) 例3　(2018南京師大附中5月模擬)某研究小組設(shè)計(jì)了一種“用一把刻度尺測(cè)量質(zhì)量為m的小物塊Q與平板P之間動(dòng)摩擦因數(shù)”的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5甲所示． 圖5 AB是半徑足夠大的四分之一圓弧軌道，與水平固定放置P板的上表面BC在B點(diǎn)相切，C點(diǎn)在水平地面的垂直投影為C′.重力加速度為g.實(shí)驗(yàn)步驟如下： ①用刻度尺測(cè)量BC長(zhǎng)度為L(zhǎng)和CC′高度為h； ②先不放置平板P(如圖乙)使圓弧AB的末端B位于C′的正上方，將物塊Q在A點(diǎn)由靜止釋放，在物塊Q落地處標(biāo)記其落地點(diǎn)D； ③重復(fù)步驟②，共做10次； ④用半徑盡量小的圓將10個(gè)落地點(diǎn)圍住，用毫米刻度尺測(cè)量圓心到C′的距離s； ⑤放置平板P(如圖甲)，將物塊Q由同一位置A由靜止釋放，在物塊Q落地處標(biāo)記其落地點(diǎn)D′； ⑥重復(fù)步驟⑤，共做10次； ⑦用半徑盡量小的圓將10個(gè)落地點(diǎn)圍住，用毫米刻度尺測(cè)量圓心到C′的距離l. (1)實(shí)驗(yàn)步驟③④的目的是____________________． (2)用實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量量表示：物塊Q滑到B點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能EkB＝________. (3)物塊Q與平板P之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝________. (4)已知實(shí)驗(yàn)測(cè)得的μ值與實(shí)際值不等，其原因除了實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的誤差之外，其他的原因可能是_______________________________(寫(xiě)出一個(gè)可能的原因即可)． 答案　(1)減小誤差　(2)　(3)　(4)見(jiàn)解析 解析　(1)實(shí)驗(yàn)步驟③④的目的，是通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)減小實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差； (2)在不放平板P時(shí)，物塊從B點(diǎn)飛出做平拋運(yùn)動(dòng)，在水平方向上有s＝vBt，在豎直方向上有h＝gt2，解得EkB＝mv＝； (3)當(dāng)加上平板P時(shí)，物塊從C點(diǎn)飛出，做平拋運(yùn)動(dòng)，故EkC＝mv＝，根據(jù)動(dòng)能定理可得－μmgL＝mv－mv，解得μ＝； (4)其原因除了實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的誤差之外，其他的可能是圓弧軌道存在摩擦，接縫B處不平滑，存在空氣阻力等. 1．(2019淮陰中學(xué)模擬)在“探究動(dòng)能定理”的實(shí)驗(yàn)中，某實(shí)驗(yàn)小組采用如圖6甲所示的裝置，在水平氣墊導(dǎo)軌上安裝了兩個(gè)光電門(mén)M、N，滑塊上固定一遮光條，細(xì)線繞過(guò)定滑輪與滑塊、力傳感器相連，力傳感器下方懸掛鉤碼，已知遮光條的寬度為d，滑塊和遮光條的總質(zhì)量為m. 圖6 (1)接通氣源，滑塊從A位置由靜止釋放，讀出遮光條通過(guò)光電門(mén)M、N的時(shí)間分別為t1、t2，力傳感器的示數(shù)為F，改變鉤碼質(zhì)量，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)． ①為探究在M、N間運(yùn)動(dòng)過(guò)程中細(xì)線拉力對(duì)滑塊做的功W和滑塊動(dòng)量增量ΔEk的關(guān)系，還需要測(cè)量的物理量為_(kāi)_____________________(寫(xiě)出名稱及符號(hào))； ②利用實(shí)驗(yàn)中直接測(cè)量的物理量表示需探究的關(guān)系式為_(kāi)_____________________． (2)保持鉤碼的質(zhì)量不變，改變光電門(mén)N的位置，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出從M到N的過(guò)程中細(xì)線拉力對(duì)滑塊做的功W與滑塊到達(dá)N點(diǎn)時(shí)速度的二次方v2的關(guān)系圖象，如圖乙所示，則圖線的斜率表示____________________，圖線在橫軸上的截距表示_________________． (3)下列不必要的實(shí)驗(yàn)操作和要求有________． A．測(cè)量鉤碼的質(zhì)量 B．調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平 C．調(diào)節(jié)滑輪細(xì)線與氣墊導(dǎo)軌平行 D．保證滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量 答案　(1)①兩個(gè)光電門(mén)的間距L?、贔L＝md2(－)　(2)　滑塊經(jīng)過(guò)光電門(mén)M時(shí)速度的二次方　(3)AD 解析　(1)①實(shí)驗(yàn)要求拉力F做的功，根據(jù)W＝FL，需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)光電門(mén)的間距； ②拉力F做的功：W＝FL， 通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的速度分別為：vM＝、vN＝； 故動(dòng)能增加量為：ΔEk＝mv－mv＝md2(－)； 故需要探究的關(guān)系式為：FL＝md2(－)； (2)根據(jù)動(dòng)能定理，有：W＝mv2－mv， 故W－v2圖象的斜率為， 當(dāng)W＝0時(shí)，有：v2＝v，故圖線在橫軸上的截距表示滑塊經(jīng)過(guò)光電門(mén)M時(shí)速度的二次方； (3)由于有力傳感器直接測(cè)量力的大小，故不需要測(cè)量鉤碼質(zhì)量，不需要保證滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量，故A、D步驟不是必須的；調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平，可以保證合力等于拉力，故B步驟是必須的；調(diào)節(jié)滑輪細(xì)線與氣墊導(dǎo)軌平行，保證拉力水平，故C步驟是必須的． 2．(2018無(wú)錫市高三期末)利用圖7所示的實(shí)驗(yàn)裝置“探究合力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系”． 圖7 (1)為了消除打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和木板對(duì)小車(chē)阻力的影響，需要平衡阻力．關(guān)于該操作環(huán)節(jié)，下列四種裝置圖中正確的是________． (2)甲小組同學(xué)正確平衡了阻力，選取的砝碼和盤(pán)的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車(chē)的質(zhì)量M，取砝碼和盤(pán)的總重力值作為繩子的拉力值，按正確操作得到圖8所示的一條紙帶．在紙帶上選取三個(gè)連續(xù)計(jì)時(shí)點(diǎn)A、B、C，測(cè)得它們到靜止釋放的起始點(diǎn)O的距離分別為sA、sB、sC，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作頻率為f，已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，從O到B的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，拉力對(duì)小車(chē)做功W＝________，小車(chē)動(dòng)能變化量ΔEk＝________. 圖8 (3)乙小組同學(xué)也正確平衡了阻力，但并未保證選取的砝碼和盤(pán)的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車(chē)的質(zhì)量M.在處理數(shù)據(jù)時(shí)，他們也取砝碼和盤(pán)的總重力值作為繩子的拉力值，并采用圖象法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：在紙帶上選取多個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，測(cè)量靜止釋放的起始點(diǎn)O到每個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)的距離，并計(jì)算出每個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的小車(chē)速度v以及從O點(diǎn)到該計(jì)數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的過(guò)程中繩子拉力所做的功W.他們作出的圖線為_(kāi)_______． 答案　(1)B　(2)mgsB　　(3)B 3．(2018鹽城中學(xué)質(zhì)檢)我國(guó)的第三艘航空母艦正在建造之中，其艦載機(jī)將采用彈射起飛方式，為了研究彈射器做功對(duì)飛機(jī)起飛速度的影響，某研究性學(xué)習(xí)小組用氣墊導(dǎo)軌，光電門(mén)等器材做了如下實(shí)驗(yàn)： 圖9 A．用橡皮筋模擬彈射器，由于橡皮筋做的功不易測(cè)量，他們運(yùn)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(duì)滑塊做的功分別為W0、2W0、3W0……； B．如圖9所示，測(cè)量出滑塊彈射后遮光片通過(guò)光電門(mén)1的時(shí)間分別為t1、t2、t3、……； C．利用以上數(shù)據(jù)作出圖象，確定橡皮筋做功對(duì)滑塊彈射后的速度具體有什么影響． 請(qǐng)回答下列問(wèn)題： (1)實(shí)驗(yàn)前需要調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平：打開(kāi)氣源之后，給滑塊一個(gè)初速度，使之向左運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)遮光片通過(guò)光電門(mén)1的時(shí)間小于通過(guò)光電門(mén)2的時(shí)間，為使氣墊導(dǎo)軌水平，應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌________(選填“左”或“右”)端升高適當(dāng)高度． (2)采用圖象法探究物理量間的規(guī)律時(shí)，需要選擇合適的坐標(biāo)系以得到直線圖象，為了得到直線圖象，以彈力的功W為縱坐標(biāo)，以________(選填“t2”“t”“t－1”或“t－2”)為橫坐標(biāo)(t為遮光片通過(guò)光電門(mén)1的時(shí)間)． (3)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，總是很難得到比較標(biāo)準(zhǔn)的直線，研究小組分析了四種誤差原因，其中屬于系統(tǒng)誤差的是________． A．使用不同根數(shù)的橡皮筋彈射時(shí)，不同速度下空氣的阻力是不同的 B．使用不同根數(shù)橡皮筋實(shí)驗(yàn)時(shí)，未能將橡皮筋拉至同一位置釋放 C．實(shí)驗(yàn)所用的橡皮筋沒(méi)有做的規(guī)格真正相同，勁度系數(shù)略有差異 D．描點(diǎn)作圖時(shí)，由于標(biāo)錯(cuò)了標(biāo)度，把所有的點(diǎn)描在了錯(cuò)誤的位置 (4)“倍分法”是一種很有用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，下列科學(xué)研究中，科學(xué)家使用“倍分法”思想來(lái)幫助研究的是________． A．伽利略研究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系 B．開(kāi)普勒研究行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌道的半長(zhǎng)軸與周期的關(guān)系 C．庫(kù)侖研究點(diǎn)電荷間相互作用力的規(guī)律 D．奧斯特研究電流的磁效應(yīng) 答案　(1)右　(2)t－2　(3)AC　(4)C