高考物理实验专题突破实验05 探究功与速度变化的关系(解析版).docx
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1、 实验实验五五 探究功与速度变化的关系探究功与速度变化的关系(解析版)(解析版) 1.实验原理 (1)改变功的大小:采用如图所示的实验装置,用 1 条、2 条、3 条规格同样的橡皮筋将小车拉到同一 位置由静止释放,橡皮筋拉力对小车所做的功依次为 W、2W、3W、。 (2)确定速度的大小:小车获得的速度 v 可以由纸带和打点计时器测出,也可以用其他方法测出。 (3)寻找功与速度变化的关系:以橡皮筋拉力所做的功W为纵坐标,小车获得的速度v为横坐标,作出W-、 W-v 或 W-v2等图象。分析图象,得出橡皮筋拉力对小车所做的功与小车获得的速度的关系。 2.实验器材 小车(前面带小钩)、长木板(两侧适
2、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、 若干条等长的橡皮筋、毫米刻度尺。 3.实验步骤 (1)垫高木板的一端,平衡摩擦力。 (2)拉伸的橡皮筋对小车做功 用一条橡皮筋拉小车做功 W;用两条橡皮筋拉小车做功 2W;用三条橡皮筋拉小车做功 3W (3)测出每次做功后小车获得的速度 v。 (4)分别用各次实验测得的 v 和 W 绘制 W-、W-v、W-v2或 W-v3等图象,直到明确得出 W 和 v 的关系。 4.数据分析 (1)求小车速度 实验获得如图所示纸带,利用纸带上点迹均匀的一段测出两点间的距离,如纸带上 A、C 两点间的距离 x, 则 v= 2(其中 T 为打点周期)
3、。 (2)计算 W、2W、3W、时对应 v、v2的数值,填入下面表格。 W 2W 3W 4W 5W v v2 (3)作图象 在坐标纸上分别作出 W-v 和 W-v2图线,从中找出功与速度变化的关系。 5.注意事项 (1)平衡摩擦力:将木板一端垫高,使小车重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡。检验方法是轻推小车, 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。 (2)选点测速:测小车速度时,纸带上的点应选均匀部分的,也就是选小车做匀速运动时打下的点。 (3)橡皮筋的选择:橡皮筋规格相同时,力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可,不必计算出具体 数值。 【典例 1】 如图甲所示是某
4、研究性学习小组做“探究橡皮筋做功和物体速度变化的关系”的实验,图中是小车在 一条橡皮筋作用下弹出并沿木板滑行的情形。这时,橡皮筋对小车做的功记为 W。当我们把 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,每次橡皮筋都拉伸到同一位置释放。小车在每 次实验中获得的速度由打点计时器所打出的纸带测出。 (1)除了图中已给出的实验器材外,还需要的测量器材有 。 (2)平衡摩擦力后,每次实验得到的纸带上的点并不都是均匀的,为了测量小车获得的速度,应选用纸带 的部分进行测量。 (3)下面是本实验的数据记录表,请将第 2 次、第 3 次实验中橡皮筋做的功填写在对应的位置。 橡皮筋
5、 做的功 10 个间 距的距 离 x/m 10 个间 距的时 间 T/s 小车获 得的速 度 vn /(m s-1) 小车速 度的平 方vn2 /(m2 s-2) 第 1 次 W 0.200 0.2 第 2 次 0.280 0.2 第 3 次 0.340 0.2 第 4 次 0.400 0.2 第 5 次 0.450 0.2 (4)从理论上讲,橡皮筋做的功Wn和物体速度vn变化的关系应是Wn ,请你根据表中测定的数据在如 图乙所示的坐标系中作出相应的图象验证理论的正确性。 【解析】(1)计算小车速度需要测量纸带上的点间的距离,要用刻度尺。 (2)小车匀速运动时,纸带上的点的间隔均匀。 (3)橡
6、皮筋每增加一条,对小车做的功就增加 W。 (4)纵坐标表示速度的平方,横坐标表示功,利用描点法描出各组数据对应的点,然后用平滑曲线连线作出 2-Wn图象,如图丙所示。 丙 【答案】(1)刻度尺 (2)点距均匀 (3)2W 3W 4W 5W (4)2 如图丙所示 【针对训练 1】 某学习小组做“探究合力的功和物体速度变化的关系”的实验,图甲中小车是在 1 条橡皮筋作用 下弹出,沿木板滑行,这时橡皮筋对小车做的功记为 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,使每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致。每次实验中小车获得的速度由打 点计时器所打的纸带测出。 (
7、1)除了图甲中已有的实验器材外,还需要导线、 开关、 (填测量工具)和 (选填“交流”或“直流”) 电源。 (2)实验中,小车会受到摩擦阻力的作用,可以使木板适当倾斜来平衡摩擦阻力,则下列操作正确的是( )。 A.放开小车,能够自由下滑即可 B.放开小车,能够匀速下滑即可 C.放开拖着纸带的小车,能够自由下滑即可 D.放开拖着纸带的小车,能够匀速下滑即可 (3)若木板水平放置,小车在两条橡皮筋作用下运动,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.橡皮筋处于原长状态 B.橡皮筋仍处于伸长状态 C.小车在两个铁钉的连线处 D.小车已过两个铁钉的连线处
8、(4)在正确操作情况下,打在纸带上的点并不都是均匀的,为了测量小车获得的速度,应选用图乙中纸带的 部分进行测量。 【解析】 (1)为测量小车获得的速度,必须用刻度尺来测量纸带上点和点之间的距离;打点计时器必须使用 交流电源。 (2)平衡摩擦力时,也要平衡掉纸带与限位孔之间的摩擦力。 根据平衡状态的特点,小车做匀速运动时证明 平衡掉了摩擦力。 (3)若木板水平放置,则未平衡摩擦力。小车速度最大时,也就是加速度为零的时刻,即橡皮筋对小车的作 用力等于小车受到的摩擦力的时刻,此时橡皮筋处于伸长状态,小车还未到两个铁钉的连线处,B 项正确。 (4)应该选用纸带上小车做匀速运动的部分进行测量,此时小车的
9、速度最大,即 GK 部分。 【答案】(1)刻度尺 交流 (2)D (3)B (4)GK 【典例 2】利用如图甲所示的实验装置探究恒力做功与物体动能变化的关系。小车的质量 M=200.0 g,钩码的 质量 m=10.0 g,打点计时器所用的电源为 50 Hz 的交流电。 甲 (1)挂钩码前,为了平衡摩擦力,应调节木板右侧的高度,直至向左轻推小车观察 到 。 (2)挂上钩码,按实验要求打出的一条纸带如图乙所示。 选择某一点为 0,依次每隔 4 个计时点取一个计数 点。用刻度尺量出相邻计数点间的距离 x,记录在纸带上。计算打出各计数点时小车的速度 v,其中打出计数 点“1”时小车的速度 v1= m/
10、s。 乙 (3)将钩码的重力视为小车受到的拉力,取 g=9.80 m/s2,利用 W=mgx 算出拉力对小车做的功 W。利用 Ek=1 2Mv 2算出小车动能,并求出动能的变化量 E k。计算结果见下表。 W/(10-3J) 2.45 2.92 3.35 3.81 4.26 Ek/(10-3 J) 2.31 2.73 3.12 3.61 4.00 请根据表中的数据,在图丙中作出 Ek-W 图象。 丙 (4)实验结果表明,Ek总是略小于 W。某同学猜想是由小车所受拉力小于钩码重力造成的。用题中小车 和钩码质量的数据可算出小车受到的实际拉力 F= N(结果保留 2 位有效数学)。 【解析】 (1)
11、小车处于平衡状态,故它被轻推后能做匀速直线运动(打出的纸带点距均匀)。 (2)v1=1+2 2 =0.228 m/s。 (4)钩码受力如图丁所示 根据牛顿第二定律得 mg-F=ma 小车所受合力的大小等于 F,再由牛顿第二定律得 F=Ma 联立解得 F= +0.093 N。 丁 【答案】 (1)小车做匀速直线运动(打出的纸带点距均匀) (2)0.228 (3)如图戊所示 (4)0.093 戊 【针对训练 2】用如图所示的装置测量弹簧的弹性势能。将弹簧放置在水平气垫导轨上,左端固定,弹簧 处于原长时右端在O点;在O点右侧的B、 C位置各安装一个光电门,计时器(图中未画出)与两个光电门相连。 先用
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