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        “探究動(dòng)能定理”實(shí)驗(yàn)之考向分析

        2018-11-23 08:42:56李恒林
        新高考·高一物理 2018年5期
        關(guān)鍵詞:鉤碼紙帶計(jì)時(shí)器

        李恒林

        考向一、實(shí)驗(yàn)原理的理解

        例1“探究動(dòng)能定理”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,當(dāng)小車(chē)在兩條橡皮筋作用下彈出時(shí),橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功記為W0.當(dāng)用4條、6條、8條……完全相同的橡皮筋并在一起進(jìn)行第2次、第3次、第4次……實(shí)驗(yàn)時(shí),橡皮筋對(duì)小車(chē)做的功記為2 W0、3W0、4W0……,每次實(shí)驗(yàn)中由靜止彈出的小車(chē)獲得的最大速度均可由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打的紙帶測(cè)出.

        (2)圖2給出了某次在正確操作情況下打出的紙帶,從中截取了測(cè)量物體最大速度所用的一段紙帶,測(cè)得O點(diǎn)到A、B、C、D、E各點(diǎn)的距離分別為OA=5.65 cm,OB=7.12 cm,OC=8.78Cm,OD=10. 44Cm,OE=12.10 cm.已知相鄰兩點(diǎn)時(shí)間間隔為0.02 s,則小車(chē)獲得的最大速度vm=

        m/s.

        變式測(cè)量滑塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的合外力是“探究動(dòng)能定理”實(shí)驗(yàn)要解決的一個(gè)重要問(wèn)題.為此,某同學(xué)設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)方案:

        A.實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示,一端系在滑塊上的細(xì)繩通過(guò)轉(zhuǎn)軸光滑的輕質(zhì)滑輪掛上鉤碼,用墊塊將長(zhǎng)木板固定有定滑輪的一端墊起.調(diào)整長(zhǎng)木板的傾角,直至輕推滑塊后,滑塊沿長(zhǎng)木板向下做勻速直線運(yùn)動(dòng):

        B.保持長(zhǎng)木板的傾角不變,取下細(xì)繩和鉤碼,讓滑塊沿長(zhǎng)木板向下做勻加速直線運(yùn)動(dòng).請(qǐng)回答下列問(wèn)題:

        ①滑塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí),打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上所打出點(diǎn)的分布應(yīng)該是____;

        ②滑塊在勻加速下滑過(guò)程中所受的合外力大小

        鉤碼的重力大?。ㄟx填“大于”、“等于”或“小于”);

        ③當(dāng)滑塊沿長(zhǎng)木板向下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)時(shí),某同學(xué)打出的一條紙帶如圖4所示,用刻度尺測(cè)得計(jì)數(shù)點(diǎn)1,2,3,4到計(jì)數(shù)起點(diǎn)O的距離分別為3. 15 c:m,12. 40 cm,27. 70 cm,49. 05 cm,由此可得,物體的加速度為_(kāi)___

        m/s2.(保留三位有效數(shù)字)

        ④若滑塊質(zhì)量為M、鉤碼質(zhì)量為m,當(dāng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下1、3點(diǎn)時(shí)滑塊的速度分別為vI和v3,1、3兩點(diǎn)之間距離為s,重力加速度為g,探究結(jié)果的表達(dá)式是____.(用相應(yīng)的符號(hào)表示)

        解析 ①此實(shí)驗(yàn)平衡摩擦力后,確定滑塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)的依據(jù)是,看打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上所打出點(diǎn)的分布應(yīng)該是等間距的.

        ②因?yàn)樵阢^碼作用下,滑塊做勻速運(yùn)動(dòng).當(dāng)去掉鉤碼后根據(jù)力的合成可知,小車(chē)受到的合力等于鉤碼的重力

        ③根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在相等時(shí)間內(nèi)走過(guò)的位移差是一個(gè)定值可得

        考向二、數(shù)據(jù)處理與誤差分析

        例2 (1)圖5為兩種不同直徑車(chē)輪(顏色不同),裝有不同數(shù)量的木塊(每個(gè)木塊的質(zhì)量相同)從不同高度釋放的小車(chē).當(dāng)一個(gè)探究小組希望檢驗(yàn)這樣一個(gè)猜想:從同一高度沿斜面滑下的相同小車(chē),裝載物體的質(zhì)量越大,到達(dá)斜面底部的速度越快.你認(rèn)為應(yīng)該選用圖中的哪三種情況進(jìn)行比較____;若要研究裝載相同質(zhì)量的同一小車(chē)下滑到底部的速度與釋放的高度關(guān)系時(shí),應(yīng)該選擇圖中哪三種情況進(jìn)行比較____.(以上兩空均選填下列答案番號(hào))

        A.①⑤⑧

        B.②⑤⑨

        C.③⑥⑨

        D.④⑤⑥

        E.③⑤⑦

        F.①④⑦

        (2)某實(shí)驗(yàn)小組采用如圖6所示的裝置探究“動(dòng)能定理”,實(shí)驗(yàn)中將細(xì)線拉力近似看為小車(chē)受到的合外力,小車(chē)上可裝載砝碼.實(shí)驗(yàn)中小車(chē)碰到制動(dòng)裝置時(shí),細(xì)線上懸掛的鉤碼尚未到達(dá)地面,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作頻率為50Hz.請(qǐng)解答下列問(wèn)題:

        ①當(dāng)小車(chē)沿木板滑行的過(guò)程中,除細(xì)繩的拉力對(duì)小車(chē)做功以外,還有阻力做功,這樣便會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)誤差.你的解決辦法是:

        ②如圖7是鉤碼質(zhì)量為003 kg,小車(chē)中所載砝碼質(zhì)量為0. 02 kg時(shí)得到的一條紙帶,在紙帶上選擇起始點(diǎn)0及A、B、C、D和E五個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn),表1中已測(cè)量出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O的距離以及各計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度 v,請(qǐng)將計(jì)數(shù)點(diǎn)C的結(jié)果補(bǔ)充填在相應(yīng)的位置.

        解析 (1)實(shí)驗(yàn)中要驗(yàn)證從斜面滑

        下的小車(chē),裝載物體的質(zhì)量越大和到達(dá)斜面底部的速度這兩個(gè)量之間的關(guān)系,根據(jù)控制變量法的思路,所以應(yīng)選高度相同、車(chē)輪相同的情況下進(jìn)行比較,來(lái)改變裝載物體的質(zhì)量的多少,從而判斷裝載物體的質(zhì)量越大和到達(dá)斜面底部的速度這兩個(gè)量之間的關(guān)系,故選D;同理,若要研究裝載相同質(zhì)量的同一小車(chē)下滑到底部的速度與釋放的高度關(guān)系時(shí),則要控制小車(chē)質(zhì)量不變,通過(guò)改變高度來(lái)進(jìn)行研究,故選E.

        故答案為:D、E.

        (2)①本實(shí)驗(yàn)要用鉤碼的重力代替小車(chē)所受到的合力,對(duì)小車(chē)受力分析,受到重力、拉力、支持力和摩擦力,要使拉力近似等于合力,可將長(zhǎng)木板一段墊高,使重力的下滑分量恰好等于摩擦力,因?yàn)橹虚g還有滑輪與軸之間的摩擦阻力,故拉力近似等于合力.故答案為:傾斜木板知道小車(chē)做勻速運(yùn)動(dòng).

        故答案為:速度平方的變化與位移成正比,小車(chē)質(zhì)量,偏大.

        【總結(jié)】(1)根據(jù)控制變量法的思路,去分析解決,控制下滑的是相同直徑的小車(chē)和斜面傾斜程度不變,來(lái)改變裝載物體的質(zhì)量,從而研究裝載物體的質(zhì)量越大和到達(dá)斜面底部的速度越快的關(guān)系;若要研究裝載相同質(zhì)量的同一小車(chē)下滑到底部的速度與釋放的高度關(guān)系時(shí),則要控制小車(chē)質(zhì)量不變,改變高度從而研究速度與釋放的高度關(guān)系.

        (3)由圖9可知,小車(chē)所受拉力可以由彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出,本實(shí)驗(yàn)中不需要必須滿足小桶(含內(nèi)部沙子)的質(zhì)量小于小車(chē)的質(zhì)量.

        (4)實(shí)驗(yàn)中是將物體的重力充當(dāng)了小車(chē)的拉力,由于小車(chē)受到桌面的摩擦力,故會(huì)使合力小于物體的重力,造成較大的誤差,故應(yīng)未平衡摩擦力(或小車(chē)受到的摩擦阻力的影響).措施是把木板不帶定滑輪的那一端適當(dāng)墊高,以平衡摩擦力.

        故答案為:(1)接通電源然后放開(kāi)紙帶;(2)圖象如圖10所示;0.25;(3)否;(4)未平衡摩擦力

        變式 某探究學(xué)習(xí)小組的同學(xué)欲驗(yàn)證“動(dòng)能定理”,他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室組裝了一套如圖11所示的裝置,另外他們還找到了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用的學(xué)生電源、導(dǎo)線、復(fù)寫(xiě)紙、紙帶、小木塊、細(xì)砂.當(dāng)滑塊連接上紙帶,用細(xì)線通過(guò)滑輪掛上空的小沙桶時(shí),釋放小桶,滑塊處于靜止?fàn)顟B(tài).

        若你是小組中的一位成員,要完成該項(xiàng)實(shí)驗(yàn),則:

        (1)你認(rèn)為還需要的實(shí)驗(yàn)器材有____.

        (2)實(shí)驗(yàn)時(shí)為了保證滑塊受到的合力與沙和沙桶的總重力大小基本相等,沙和沙桶的總質(zhì)量應(yīng)滿足的實(shí)驗(yàn)條件是____,實(shí)驗(yàn)時(shí)首先要做的步驟是____.

        (3)在(2)的基礎(chǔ)上,某同學(xué)用天平稱(chēng)量滑塊的質(zhì)量M.往沙桶中裝入適量的細(xì)沙,用天平稱(chēng)出此時(shí)沙和沙桶的總質(zhì)量m.讓沙桶帶動(dòng)滑塊加速運(yùn)動(dòng),用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄其運(yùn)動(dòng)情況,在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶上取兩點(diǎn),測(cè)出這兩點(diǎn)的間距L和這兩點(diǎn)的速度大小v1與v2(v1

        解析 (1)為了測(cè)出滑塊的質(zhì)量和沙桶(及沙)的總質(zhì)量需要選用天平測(cè)量,為了對(duì)紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理需要選用刻度尺.

        (2)由于小沙桶(及沙)的重力等于滑塊受到的合外力的條件是小沙桶(及沙)的質(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊的質(zhì)量,且不計(jì)摩擦阻力(利用平衡摩擦力的方法).所以要保證沙和沙桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊的質(zhì)量.實(shí)驗(yàn)時(shí)首先要做的步驟是平衡摩擦力.

        (3)由動(dòng)能定理可得

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