(新课标)高考物理一轮总复习-第五章 机械能 第5讲 实验 探究动能定理课件(必修2)

热点二 跟踪训练
(4)拉力所做的功为 W＝Fs，通过光电门 1 的速度为 v1＝Δdt1，通 过光电门 2 的速度为 v2＝Δdt2，故滑块的动能变化量为 ΔEk＝12 m(Δdt2)2－12m(Δdt1)2，根据动能定理可得 Fs＝12m(Δdt2)2－12m(Δdt1)2. (5)该实验中由于已经用传感器测出绳子拉力大小，不是将砝码和 砝码盘的重力作为小车的拉力，故不需要满足砝码和砝码盘的总 质量远小于小车的质量．
[实验改进] 1．本实验中物体运动速度可以使用速度传感器直接采集，比用打点计时 器方便快捷且误差较小． 2．可以把长木板换成气垫导轨，省略平衡摩擦力的操作步骤，达到简化 实验过程的目的．
热点一 实验原理与操作
[典例 1] (2016·甘肃天水市一中期中)某实验小组利用无线力传感 器和光电门传感器探究“动能定理”．将无线 力传感器和档光片固定在小车上，用不可伸长
热点一 跟踪训练
(4)他将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功，经多次实验发现拉 力做功总是要比小车动能增量大一些．造成这一情况可能是下列 哪些原因造成的________(填字母代号)． A．在接通电源的同时释放了小车 B．小车释放时离打点计时器太近 C．阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平衡掉 D．钩码做匀加速运动，钩码重力大于细绳拉力
热点二
数据处理与误差分析 [典例 2] (2017·云南玉溪一中期中)某学习小组利用如图所示 的装置验证动能定理．
跟踪训练
热点二
跟踪训练
(1)安装好实验器材，要调节气垫导轨调至水平．操作应该是不 挂砝码盘和细线，如果滑块________________则气垫导轨调整至 水平状态． (2)从装置图中读出两光电门中心之间的距离 s＝______ cm；通 过下图游标卡尺测得挡光条的宽度 d＝______mm.

2．如图5－5－4所示，借助电火花计时器打出的纸带，
测出物体自由下落的高度h和该时刻的速度v.打第n个计数点
时的瞬时速度等于以该时刻为中间时刻的某一段时间内的平
均速度，即vn＝
xn＋2Txn＋1或vn＝
hn＋1－hn－1 2T
.(T为相邻计数点间
的时间间隔)
图5－5－4
三、实验器材 铁架台(带铁夹)，电火花计时器(或电磁打点计时器)， 重锤(带纸带夹)，纸带，复写纸片，导线，毫米刻度尺，低 压交流电源．
4．由纸带算出小车获得的速度，把各次实验获得的速 度依次记入对应的表格中.
橡皮筋的条数 1 2 3 4 5 力对小车做的功 W 2W 3W 4W 5W 小车获得的速度 5.观察测得数据进行估计，大致判断两个量可能的关 系，然后以W为纵坐标，以v2(或v、v3)为横坐标作图，寻找 二者的关系．
五、注意事项 1．平衡摩擦力时连着纸带且接通电源． 2．测小车速度时，纸带上的点应选分布均匀部分的， 也就是小车做匀速运动时所打点进行测量、计算． 3．小车应靠近打点计时器，并且要先接通电源再释放 小车． 4．小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些． 5．橡皮筋应选规格一样的．
二、实验原理 探究功与物体速度变化的关系，可通过改变力对物体
做的功，测出力对物体做不同功时物体的速度，为简化实验 可将物体初速度设置为零，可用如图5－5－1所示的装置进 行实验，通过增加橡皮筋的条数使橡皮筋对小车做的功成倍 增加，再通过打点计时器和纸带来测量每次实验后小车的速 度．
图5－5－1
三、实验器材 橡皮筋，打点计时器，小车，纸带，电源，导线，刻
实验(二) 验证机械能守恒定律 一、实验目 1．当只有重力做功时，物体的动能和重力势能发生相 互转化，但机械能的总量保持不变．据此，做自由落体运动 的物体，只受重力作用，其机械能是守恒的．质量为m的物 体自由下落，位置从A到B下降h高度时，若速度由vA变为 vB，应有：mghAB＝12mv2B－12mvA2 .

图实-5-3
解析
2．(2014·天津高考)某同学把附有滑轮的长木板平放在实验桌 上，将细绳一端拴在小车上，另一端绕过定滑轮，挂上适当 的钩码，使小车在钩码的牵引下运动，以此定量探究绳拉力 做功与小车动能变化的关系。此外还准备了打点计时器及配 套的电源、导线、复写纸、纸带、小木块等。组装的实验装 置如图实-5-4 所示。
实 验 五 探究动能定理
一、实验目的 1．探究外力对物体做功与物体速度变化的关系。 2．通过实验数据分析，总结出做功与物体速度平方的正 比关系。 二、实验器材 小车(前面带小钩)、100～200 g 砝码、 长木板 及两侧适 当的对称位置钉两个铁钉、打点计时器及纸带、学生电源及导 线(使用电火花计时器不用学生电源)、5～6 条等长的橡皮筋、 刻度尺。
图实-5-4
(1)若要完成该实验，必需的实验器材还有哪些______________。 (2)实验开始时，他先调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的 细绳与木板平行。他这样做的目的是下列的哪个________(填字 母代号)。 A．避免小车在运动过程中发生抖动 B．可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰 C．可以保证小车最终能够实现匀速直线运动 D．可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力
(1)除了图中的已给出的实验器材外，还需要的器材有_刻__度__尺__；
实验器材的选用 只要应用电磁打点计时器打纸带的实验，与打点计时器 相关的器材，如：学生电源、导线、复写纸、纸带必须 有，处理纸带时，为测量计时点间距，还应有刻度尺。
(2)平衡摩擦后，每次实验得到的纸带上的点并不都是均匀的，为了测量
(1)关于该实验，下列说法正确的是________。 A．打点计时器可以用干电池供电 B．实验仪器安装时，可以不平衡摩擦力 C．每次实验小车必须从同一位置由静止弹出 D．利用每次测出的小车最大速度 vm 和橡皮筋做的功 W，依 次作出 W-vm、W-vm2、W-vm3，W2-vm、W3-vm……的图像， 得出合力做功与物体速度变化的关系

实验时，橡皮筋对小车
做的功记为2W0、3W0、4W0……每次实验中由静止弹出的 小车获得的最大速度可由打点计时器所打的纸带测出。
图实－5－4
(1)关于该实验，下列说法正确的是
(
)
A．打点计时器可以用直流电源供电，电压为4～6 V
B．实验中使用的若干根橡皮筋的原长可以不相等 C．每次实验中应使小车从同一位置由静止弹出 D．利用每次测出的小车最大速度vm和橡皮筋做的功W， 依次作出W－vm、W－vm2、W－vm3、W2－vm、W3－ vm……的图像，得出合力做功与物体速度变化的关系
图实－5－2
(1)本实验中不需要测重锤的质量 m，因为质量可在关 系式中消去。 (2)打点计时器安装时，必须使两纸带限位孔在同一竖 直线上，以减小摩擦阻力。
(3)实验时，需保持提纸带的手不动，先接通电源，让打点计 时器工作正常后才释放纸带。 (4)要多做几次实验，并保证第一个点是一个清晰的小点，选 用纸带时应尽量挑第一、二点间距接近 2 mm 的纸带。 (5)本实验不需要在打下的点中取计数点。
4 5
6.00
7.00 9.20
0.15
0.18 0.23
请以Δv2为纵坐标，以x为横坐标在图实－5－7方格纸中作 出Δv2－x图像。若测出小车质量为0.2 kg，结合图像可求 得小车所受的合外力的大小为________N。
图实－5－7
(2)若该同学通过计算发现小车所受合外力小于测力计读
数，明显超出实验误差的正常范围。你认为主要原因
(2)0.83
[例2] 某同学用如图实－5－6所示的实验 装置探究小车动能变化与合外力对它所做
功的关系。图中A为小车，连接在小车后
面的纸带穿过打点计时器B的限位孔，它 图实－5－6

(2)利用12v2­h 图线处理数据，物体自由下落过程 中机械能守恒，mgh＝12mv2，即12v2＝gh，若以12v2 为 纵轴、以 h 为横轴，画出的图线应是过原点的倾斜直 线，由以上易知12v2－h 图线的斜率就等于重力加速度 g 的数值．
[答案] (1)BCD (2)过原点的倾斜直线 重力加 速度 g
5．实验结论：Wi∝v2i . 6．实验中应注意事项 (1)平衡摩擦力：实验中的小车不可避免地要受到 摩擦力的作用，为了保证橡皮筋对物体的功就是合外 力的功，必须设法排除摩擦力的影响．可采用将木板 一端垫高的方法来实现．将木板一端垫高，让自由小 车(不系橡皮筋时)能在木板上匀速运动，使重力沿斜 面方向的分力与摩擦力相平衡，就消除了摩擦力的影 响． (2)每次实验所用的每条橡皮筋，其长度、材料和 粗细都应是相同的，并且橡皮筋拉伸的长度都保持一 致． (3)打点计时器打出的纸带上相邻各点的间距并 不均匀，应选点间间距相等的一段纸带来计算小车的 速度，因这一小段是橡皮筋对小车做功完毕时的情形．
①乙图中，纸带的________(填“左”或“右”) 端与重物相连；
②根据以上数据，可知重物由 O 点运动到 B 点， 重 力 势 能 的 减 少 量 为 ______J ， 动 能 的 增 加 量 为 ______J．(计算结果保留三位有效数字)
[解析] (1)为了减小阻力的影响，重物应选用质量 大、体积小、密度大的材料，A 正确；实验时应先接 通电源后释放重物，B 错误；两限位孔在同一竖直面 内上下正对，避免纸带与限位孔摩擦，减小误差，C 正确；实验时不能根据 v＝gt 求解瞬时速度，否则默 认机械能守恒，失去验证的意义，D 错误．
须使用的两种器材是________． A．交流电源 B．刻度尺 C．天平(含砝码)

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高三一轮总复习
3.用比例法求功的大小[第(2)问] 橡皮筋应选规格一样的， 弹力对小车做的功以一根橡皮筋做的功为单位 即可，不必计算出具体的数值.
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高三一轮总复习
[母题迁移] 某同学做“探究合力做的功和物体速度变化的关系”的实验装置如图实 53 所示，小车在橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行．用 1 条橡皮筋时弹力对小车 做的功记为 W，当用 2 条、3 条…完全相同的橡皮筋并在一起进行第 2 次、第 3 次…实验时，每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致．实验中小车获得的速 度由打点计时器所打的纸带测出．
图实53
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高三一轮总复习
(1)木板水平放置，小车在橡皮筋作用下运动，当小车速度最大时，关于橡 皮筋所处的状态与小车所在的位置，下列说法正确的是________． A．橡皮筋仍处于伸长状态 B．橡皮筋恰好恢复原长 C．小车恰好运动到两个铁钉的连线处 D．小车已超过两个铁钉的连线处
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【解析】
高三一轮总复习 (1)为了消除摩擦力，应将木板固定有打点计时器的一端垫起适
当的高度，使小车在不接橡皮筋时缓慢匀速下滑． x (2)由匀速运动的速度公式 v＝ ，可求出小车的速度，其中 x 可从题图中读 t 出，分别为 2.00 cm、2.83 cm、3.46 cm、4.00 cm，交流电频率为 50 Hz，故 T＝ 0.02 s.
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下一页高三一轮总复习(2)实验操作中需平衡小车受到的摩擦力，最根本的目的是________． A．防止出现小车不能被橡皮筋拉动的情况 B．保证橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功 C．便于小车获得较大的弹射速度 D．防止纸带上点迹不清晰

第五章 机械能
实验五 探究动能定理
2020/12/6
1
基础回放 基本实验要求
1．实验目的 探究功与物体速度变化的关系．
2．实验原理
(1)一根橡皮筋作用在小车上移动距离 s——做功为 W.
(2)两根橡皮筋作用在小车上移动距离 s——做功应为 2W.
(3)三根橡皮筋作用在小车上移动距离 s——做功应为 3W.
(4)利用打点计时器求出小车离开橡皮筋的速度，列表、作图，即可 求出 v－W 关系
3．实验器材
橡皮筋、小车、木板、打点计
时器、纸带、铁钉等．
2020/12/6
2
基础回放
4．实验步骤
(1)用一条橡皮筋拉小车——做功 W. (2)用两条橡皮筋拉小车——做功 2W. (3)用三条橡皮筋拉小车——做功 3W. (4)测出每次小车获得的速度． (5)分别用各次实验测得的 v 和 W 绘出 W－v、W－v2，W－v3、W－ v 关系图．
能定理得证．
2020/12/6
图3
8
课堂探究
1．本实验中虽然不需计算出橡皮筋每次做功的具体数值，但需计算 出每次小车获得的速度，由于距离的测量存在一定误差，使得速 度的大小不准确，在此可以安装速度传感器进行实验．
2．本实验也可用钩码牵引小车完成，在小车上安装拉力传感器测出 拉力的大小，再测出位移的大小，进而确定力做功的多少．
细线通过滑轮挂上小砂桶．
(1)某同学的实验步骤如下： 用天平称量小车的质量 M 和砂与小桶的总质量 m．让砂与小桶带动小车加速运动， 用打点计时器记录其运动情况，在打点计时器打出的纸带上取两点，测出这两点的
间距为 L，算出打这两点的速度 v1 与 v2．
①本实验装置图(准备放开小车时刻)中有什么缺点或错误？

mm。
(3)某次实验过程:力传感器的读数为F,小车通过光电门1和2的挡光时间
分别为t1、t2(小车通过光电门2后,砝码盘才落地),已知重力加速度为g,则对
该小车实验要验证的表达式是 。
12/9/2021
第二十一页，共三十三页。
关键能力
考点(kǎo
diǎn案: (1)不需要 (2)5.50 (3)(F-m0g)s=2
diǎn)一
考点(kǎo
diǎn)二
思维点拨(1)打点计时器需要使用交流电源。
(2)小车在水平面运动时,由于受到摩擦阻力导致小车速度在变化,所以适当
倾斜(qīngxié)以平衡摩擦力。
(3)小车在运动过程中,所受合力为零时,速度有最大或最小值。
(4)要测量最大速度,应该选用点迹间隔均匀的部分。
(1)实验中要通过倾斜木板平衡摩擦力,这与“探究加速度与力、质
第三页，共三十三页。
-4-
六、注意事项
1.平衡摩擦力:将木板一端垫高,使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力
平衡。方法:使小车连着纸带并接通电源,轻推小车,由打点计时器打在纸带
上的点的均匀程度判断小车是否做匀速运动,找到长木板的一个合适的倾
角。
2.选点测速:测小车的速度时,纸带上的点应选均匀部分的,也就是选小车做
木板上运动,打点计时器在纸带上记录小车的运动情况。利用该装置可以完成
“探究动能定理”的实验。
图1
(1)打点计时器使用的电源是
A.直流电源 B.交流电源
(选填选项前的字母)。
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-11-
关键能力
考点(kǎo
diǎn)一
-12-
考点(kǎo

• 五、数据处理 • 1．测量小车的速度：实验获得如图所示的纸带，为探究 橡皮筋弹力做的功和小车速度的关系，需要测量弹力做 功结束时小车的速度，即小车做匀速运动的速度，应在 纸带上测量的物理量：A1、A2间的距离x，小车速度的表 达式是v＝(T为打点计时器打点的时间间隔)。
• 2．记录实验数据：把计算出的速度填入表格中并算出v2 的值。
(3)本实验中，木板与物体间摩擦力的大小会不会影响探究出的结果？
• 解题探究：(1)物体从斜面滑下，合力做功 与动能增量表达式分别是怎样的？ • (2)做实验研究问题，从理论上来说，画出 的图线最好是直线还是曲线？
1 2 答案：(1)W＝mg(sinθ－μcosθ)l，ΔEk＝2mv 。 (2)直线。
1 x2＋x3 2 1 x1＋x2 2 mgx2＝2M( 2T ) －2M( 2T ) 学表达式为________________________________(用题中的字母表示，重力加速度
为 g，打点计时器所接交变电流的周期为 T)。
[解析] (1)实验时为了保证滑块受到的合力与沙和沙桶的总重力大小基本相 等，需要保证沙和沙桶的总质量远小于滑块的质量，即 M≫m；实验时首先要平 衡滑块受到的摩擦力。 (2)做匀变速直线运动的物体在某段时间内的平均速度等于该段时间中间时刻 x1＋x2 x2＋x3 的瞬时速度，则 A 点的速度 vA＝ 2T ，B 点的速度 vB＝ 2T 。 1 2 1 2 1 x2＋x3 2 1 x1＋x2 2 由动能定理得 mgx2＝2MvB－2MvA＝2M( 2T ) －2M( 2T ) ，则实验最终 1 x2＋x3 2 1 x1＋x2 2 要验证的数学表达式为 mgx2＝2M( 2T ) －2M( 2T ) 。
• [解析] (1)只要应用电磁打点计时器打纸带的实验，与打点计时器 相关的器材，如：学生电源、导线、复写纸、纸带必须有，处理纸带时， 为测量计时点间距，还应有刻度尺。 • (2)纸带上点间距相等部分对应橡皮筋松弛后小车获得的末速度。 • (3)因完全相同的橡皮筋，拉伸相同的长度，故橡皮筋对小车做的 总功与橡皮筋条数成正比。 • (4)①利用图象探究物理量间的关系时，首先确定横、纵坐标轴对 应的物理量及单位。 • ②根据表中数据确定横、纵坐标轴的标度。 • ③认真描写各坐标点。 • ④连线时要注意连线原则，偏离直线较远的点要舍去。

【答案】D
【解析】根据动能定理，分别对两车列式： －μm1gs1＝0－m1v12/2， －μm2gs2＝0－m2v22/2. 两式相比可得 s1∶s2＝4∶1，故选项 D 是正确的．
一个物体从斜面上高 h 处由静止滑下并紧接着在水 平面上滑行一段距离后停止，量得停止处距开始运动处的水平 距离为 s，不考虑物体滑至斜面底端的碰撞作用，并认为斜面 与水平面对物体的动摩擦因数相同，求摩擦因数 μ.
张力是变力，故应用动能定理求解．船在 A 处的速度为 vA＝
v cos
θ2.而阻力所做的功为
Wf＝kMg(Hcot
θ1－Hcot
θ2)，根据动
能定理 WF－Wf＝12MvA2－0 所以 WF＝2cMosv22θ2＋kMgH(cot θ1－
cot θ2)．
如右图，让摆球从图中的 C 位置由静止开始下摆， 正好摆到悬点正下方 D 处时，线被拉断，紧接着，摆球恰好能 沿竖直放置的光滑半圆形轨道内侧做圆周运动，已知摆线长 l ＝2.0 m，轨道半径 R＝2.0 m，摆球质量 m＝0.5 kg.不计空气阻 力．(g 取 10 m/s2)
(1)求摆球落到 D 点时的速度和摆球在 C 点时与竖直方向 的夹角 θ；
A．动能与它通过的位移成正比 B．动能与它通过的位移的平方成正比 C．动能与它运动的时间成正比 D．动能与它运动的时间的平方成正比
解析 由动能定理：W＝Fs＝Ek， 又由位移公式：s＝12at2. 由以上两式可以看出，在 F 一定时，Ek 与 s 成正比，Ek 与 t 的平方成正比．
答案 AD
一题一得 本题是动能定理与运动学公式的综合考查，虽 然难度不大，但若没有通过题意列出以上两个关系式来进行分 析，仅从主观猜测来判断，则难于选出正确结果．