高中物理实验5探究动能定理.doc

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1、高中物理实验五、探究动能定理江苏省特级教师戴儒京一、数字化实验动能定理（恒力）（课程标准教科书人教版必修2第19页）实验原理W=mv22-mv12=Δ(mv2)=ΔEk其中，W为从x1到x2的区间内，合外力F的功，v1和v2分别为物体在x1和x2处的速度，Ek为物体的动能。也就是说，合外力的空间积累效应—功等于物体动能的改变。在本实验中，我们探究在恒定拉力的作用下，小车的动能随时间变化的关系。其中，拉力由力传感器测得，速度由固定有挡光滑轮的光电门传感器测得，动能由速度的平方乘以质量的一半得到。实验目的通过对（恒定）拉力和速度的测量，探究合外力的功与物体动能变化的关系。实验装置计算机，数据

2、采集器，光电门传感器、力传感器、动力学系统（包括轨道、小车、滑轮、支架等）。实验步骤1.按图连接实验装置（注意平衡摩擦力）；2.测量并记录小车和钩码的质量（第1次：例如小车402.81g，钩码19.91g）；3.将数据采集器与力传感器连接，将数据采集器与计算机连接；然后进入“TriE信息系统”界面，对力传感器进行校零，然后，点击“打开实验”，打开模板“动能定理”，；1.设置“采集间隔”为5ms；2.让小车静止在靠近光电门传感器的一侧（钩码将细绳拉紧），点击“开始”按钮；释放小车；3.当小车运动到靠近支撑杆时，使小车停止运动，然后点击“结束”按钮；4.观察“力—位移”、“速度—位移”和“动

3、能—位移”关系曲线的特点；5.任选一个位移区间，对力进行积分，并比较积分值和两个区间端点处动能的差；6.改变钩码和小车的质量，重复步骤5~8（第2次：例如小车402.81g，钩码30.35g）。实验数据的记录与分析1．“力、速度vs.位移”图表（小车402.81g，钩码19.91g）：由图可知，从静止释放到制动前（去掉对应制动过程的最后两组读数），随着位移的增加，小车所受的拉力（中间的红色曲线）几乎不变，小车的速度（上方的绿色曲线）和动能（下方的蓝色曲线）不断增加，速度的变化率不断减小，但是动能的变化率几乎恒定。1．力对位移积分（小车402.81g，钩码19.91g）：如图所示，在所选的

4、位移区间内，力的积分值为0.0630J，两个区间端点处动能的差为0.0594J（=0.0832－0.0238），近似相等，相对误差为5.71%。3．“力、速度vs.位移”图表（小车402.81g，钩码30.35g）：由图可知，从静止释放到制动前（去掉对应制动过程的最后两组读数），随着位移的增加，小车所受的拉力（中间的红色曲线）几乎不变，小车的速度（上方的绿色曲线）和动能（下方的蓝色曲线）不断增加，速度的变化率不断减小，但是动能的变化率几乎恒定。4．力对时间积分（小车402.81g，钩码30.35g）：如图所示，在所选的位移区间内，力的积分值为0.0911J，两个区间端点处动能的差为0.0

5、870J（=0.1269－0.0399），近似相等，相对误差为4.50%。误差分析1．滑轮与力传感器挂钩之间存在摩擦力，使得力传感器测得的读数大于小车拉力的二倍；2．随着速度的增加，小车受到的（滚动）摩擦力略有增加；3．拉力做功的一部分转化为两个滑轮的转动能。关键点1．抵消摩擦力。注意事项1．采集间隔取默认值5ms，如果使用更大的采集间隔，那么当小车的运动速度很快时，位移的测量有可能出错；使用5ms作为采集间隔时，钩码与小车的质量比必须小于3/10。进一步的探究1．使用位移传感器，是否能得到同样的实验结果？2．如果拉力连续变化，动能定理是否仍旧成立？如何让拉力连续变化？二、仿真实验：探究

6、动能定理（恒力做功与物体动能变化的关系）（课程标准教科书物理必修2第16~18页：探究功与物体速度的变化的关系）图1如图1，物体沿斜面加速下滑，两个图象同时画出，如图2、图3.图2图3图2表示物体的动能随时间变化的规律，图3表示物体的重力势能随时间变化的规律，也就是重力所做的功，因为物体在沿斜面下滑的过程中，只有重力做功（只受重力和支持力，二支持力不做功），所以重力做的功就是合力做的功，而重力势能的变化等于重力做的功，所以重力势能的变化等于合力做的功。比较图2和图3，物体动能的增加等于重力势能的减少，例如从0到1s,动能的增加为(见图2)，重力势能的减少为,两者相等。所以，物体动能的增加

7、等于合力做的功。如图4图5、图6。图4图5从图5可以根据算出合力做的功：。图6从图6可以看出物体动能的变化:.合力做的功为等于物体动能的变化，误差为。位移随时间变化的图线如图7，图7动能随时间变化的图线如图8，图8以上两个图线非常相似。因为时动能为0，所以任意时刻动能的值等于动能的变化值；而力与位移的积就是功，由于力是恒量，所以功的图象应与位移的图象相似，那么动能的变化的图象就与功的图象相似了。利用数据显示方法测出4组数据（显示方法