第四章 第3节 第2课时 动能定理的实验证明-【高考领航】2023-2024学年高中物理必修第二册同步核心辅导与测评（教科版）

第2课时　动能定理的实验证明 一、实验目的：验证动能定理。 二、实验过程 方案一：用打点计时器进行验证 1．实验器材：长木板(一端附有滑轮)、打点计时器、砝码若干、小车、纸带、复写纸片、刻度尺、细线。 2．实验步骤 (1)将长木板一端垫高，让小车在连接纸带(使纸带穿过打点计时器)、不连接细绳的情况下做匀速运动，以平衡摩擦力。 (2)保证小车的质量远大于托盘和砝码的质量，从而保证小车受到的拉力近似等于托盘和砝码的重力。 (3)通过分析纸带上的点迹，计算小车在打下各计数点的瞬时速度。 (4)计算出小车在所选择的过程中，拉力F对它做的功W以及该过程中增加的动能。 (5)改变砝码个数，重复实验若干次。 方案二：用光电门进行验证 1．实验器材：气垫导轨(一端附有滑轮)、滑块(带挡光条)、砝码若干、光电门2个、细线。 2．实验步骤 (1)将气垫导轨接通气泵，通过调平螺丝调整气垫导轨使之水平。 (2)保证滑块的质量远大于托盘和砝码的质量，保证滑块受到的拉力近似等于托盘和砝码的重力。 (3)记录了挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间分别为Δt1和Δt2，进而计算出滑块通过这两个光电门时的瞬时速度。 (4)量出两个光电门间的距离。 (5)计算出拉力F对滑块做的功W以及该过程中滑块增加的动能。 (6)改变砝码个数，重复实验若干次。 方案三　使用数据实时采集系统进行验证 1．实验器材：位移传感器2个(含发射器和接收器)、力传感器、砝码若干、小车、轨道(一端附有滑轮)、细线。 2．实验步骤 (1)实验前应调节滑轮高度，使滑轮和小车间的细线与木板平行。 (2)用位移传感器连续测量多组小车位置的数据，并由计算机计算出小车经过各点时的瞬时速度的值。 (3)用力传感器测量各时刻小车受到的拉力。 (4)用计算机处理实时采集系统的数据，计算出各段时间内拉力所做的功以及相应时间段的始末速度。 (5)改变重物个数，重复实验若干次。 三、数据处理方法 1．纸带数据的处理：如图所示的纸带上，(n－1)点、n点、(n＋1)点到第一点的距离分别是dn－1、dn、dn＋1，则n点速度vn＝。 计算拉力所做的功mgdn与小车动能增加量Mv的值，可发现结果在误差允许范围内二者相等，说明外力对物体所做的功等于物体动能的改变量。 2．光电门方案数据处理 遮光条A通过光电门的速度vA＝，遮光条B通过光电门的速度vB＝，所以遮光条A、B通过光电门的过程中滑块动能的变化量ΔEk＝M－M＝M，此过程合外力做功W＝FL。可发现结果在误差允许范围内二者相等，即W＝Mv－Mv，说明外力对物体所做的功等于物体动能的改变量。 　实验原理和操作 　某同学利用图a所示装置验证动能定理。调整木板的倾角平衡摩擦阻力后，挂上钩码，钩码下落，带动小车运动并打出纸带。某次实验得到的纸带及相关数据如图b所示。 图a 图b (1)已知打出图b中相邻两点的时间间隔为0.02 s，从图b给出的数据中可以得到，打出B点时小车的速度大小vB＝________ m/s，打出P点时小车的速度大小vP＝________ m/s。(结果均保留两位小数) (2)若要验证动能定理，除了需测量钩码的质量和小车的质量外，还需要从图b给出的数据中求得的物理量为____________________________________。 解析：(1)打B点时小车的速度大小 vB＝ m/s＝0.36 m/s， 打P点时小车的速度大小 vP＝ m/s＝1.80 m/s。 (2)小车从B点运动到P点的过程中， mgxBP＝Mv－Mv，所以还需要从图b给出的数据中求得的物理量为B、P之间的距离。 答案：(1)0.36　1.80　(2)B、P之间的距离 [针对训练] 1．在“探究恒力做功与动能改变的关系”实验中(装置如图甲)： 图甲 (1)下列说法哪一项是正确的________。 A．平衡摩擦力时必须将钩码通过细线挂在小车上 B．为减小系统误差，应使钩码质量远大于小车质量 C．实验时，应使小车靠近打点计时器由静止释放 (2)图乙是实验中获得的一条纸带的一部分，选取O、A、B、C计数点，已知打点计时器使用的交流电频率为50 Hz，则打B点时小车的瞬时速度大小为________ m/s(保留三位有效数字)。 图乙 解析：(1)平衡摩擦力的原理就是在没有拉力的情况下调整斜面倾角，使μ＝tan θ，A错；为减小系统误差应使钩码质量远小于小车质量，B错；实验时使小车靠近打点计时器能充分利用纸带，由静止释放则通过后面的点测出的动能即等于该过程的动能变化量，便于利用实验数据进行探究，C对。 (2)打B点时小车的瞬时速度 vB＝＝0.653 m/s。 答案：(1)C　(2)0.653 2．某实验小组用如图甲所示的实验装置验证动能定理，重物通过滑轮用细线拉着小车，在小车