高中物理人教版 (新课标)必修26.实验：探究功与速度变化的关系一课一练

第七章　机械能守恒定律

6　实验:探究功与速度变化的关系

基础过关练

题组一　课本经典实验

1.(2020北京学业考试改编)如图所示,用质量为m的重物通过滑轮牵引小车,使它在长木板上运动,电火花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“探究功与速度变化的关系”的实验:

(1)打点计时器使用的电源是　　　　; 

A.4～6 V交流电源

B.220 V交流电源

C.4～6 V直流电源

D.220 V直流电源

(2)实验中,需要平衡摩擦力和其他阻力,正确操作方法是　　　　; 

A.把长木板右端垫高

B.把长木板左端垫高

C.改变小车的质量

D.改变重物的质量

(3)接通电源,释放小车,打点计时器在纸带上打下一系列点,将打下的第一个点标为O。在打点过程中,重物始终在空中。在纸带上依次取A、B、C、…若干个计数点,已知相邻计数点间的时间间隔为T。测得A、B、C、…各点到O点的距离为x1、x2、x3、…,如图所示。

实验中,重物质量远小于小车质量,可认为小车所受的拉力大小等于重物的重力大小。重力加速度大小为g。从打O点到打B点的过程中,拉力对小车做的功W=　　　　,打B点时小车的速度v=　　　　。(结果用题目中给出的符号表示) 

2.(2020浙江宁波高一期中)某学习小组做“探究做功与物体速度变化的关系”的实验如图所示,图中小车是在一条橡皮筋作用下弹出的,沿木板滑行,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(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根据打点计时器所打在纸带上的点进行计算。

(1)除了图中已有的实验器材外,还需要导线、开关、刻度尺和　　　　(填“交流”或“直流”)电源。实验中对每次释放小车的位置要求是　　　　(填“不做特殊要求”“不同位置”或“同一位置”)。 

(2)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

(3)在正确操作的情况下,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,应选用纸带的　　　　部分进行测量(根据如图所示的纸带回答)。 

题组二　拓展创新实验

3.在“探究功和速度变化的关系”的实验中,小张同学用如图甲所示装置,尝试通过测得细绳拉力(近似等于悬挂重物的重力)做的功和小车获得的速度的值进行探究,则

(1)下列说法正确的是　　　　。 

A.该方案需要平衡摩擦力

B.该方案需要重物的质量远小于小车的质量

C.该方案操作时细绳应该与木板平行

D.该方案处理数据时应选择匀速时的速度

(2)图乙为A、B两位同学穿纸带所采用的方法,你认为　　　(选填“A”或“B”)的正确。 

4.(2020河南郑州高三一模)某同学在“探究功与速度变化的关系”的实验中,同时测出实验中橡皮绳的劲度系数。所用实验装置如图所示,已知小球质量为m,具体实验步骤如下:

(1)将小球放在木板上,木板左端抬高一点,以平衡摩擦力。

(2)将原长为OM的橡皮绳一端固定在木板右端的O点,另一端通过力传感器连接小球,将小球拉至P点(M点左侧),测得OM的距离为l1,OP的距离为l2,力传感器示数为F,则橡皮绳的劲度系数为　　　　(用F、l1、l2表示)。 

(3)将小球从P点由静止释放,在M点右侧放置一速度传感器,可测出小球通过传感器所在位置的速度v,改用2根、3根、……橡皮绳,重复操作过程,测出多组速度数值,如表所示。

在坐标系中描点、连线,作出W-v2图象。

(4)由图象可知,橡皮绳做功与小球获得的速度的关系为　　　　。 

5.(2020广东深圳实验学校高三一模)如图所示是某学习小组设计的“探究做功与速度变化的关系”的实验装置,将光电门固定在直轨道上的O点,将拉力传感器固定在小车上,用不可伸长的细线通过一个定滑轮将小车与钩码相连,用拉力传感器记录小车所受拉力F的大小,通过光电门记录遮光条通过光电门的时间t,结合遮光条的宽度d计算出小车通过光电门时的速度。该小组提出如下操作方案:用同一钩码通过细线拉同一小车,每次小车从不同位置由静止释放,各位置A、B、C、D、E、F、G(图中只标出了G)与O点间的距离s分别为s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7。

(1)用该实验方案　　　　(填“需要”或“不需要”)平衡摩擦力。 

(2)利用图象法处理实验数据,若以s为纵轴,以　　　　(填“”或“”)为横轴作出的图象是一条过原点的直线,则可得出做功与速度的关系。 

(3)若该图象的斜率为k,则小车(含传感器)的质量为　　　　。 

6.(2019浙江镇海中学高三上选考模拟)在“探究功与速度变化的关系”实验中,某同学设计了如图甲所示的实验方案:使小物块在橡皮筋的作用下沿水平桌面被弹出,第二次、第三次……操作时分别改用2根、3根……同样的橡皮筋将小物块弹出,测出小物块被弹出时的速度,然后找到弹力对小物块做的功与小物块速度的关系。

(1)要测得小物块被弹出后的水平速度,需要测量哪些物理量(重力加速度g已知)　　　　。 

A.小物块的质量m

B.橡皮筋的原长x

C.橡皮筋的伸长量Δx

D.桌面到地面的高度h

E.小物块抛出点到落地点的水平距离L

(2)根据实验数据作出的W-v2图象如图乙所示,图线不通过原点的原因是　　　　　　　　。 

答案全解全析

基础过关练

1.答案　(1)B　(2)A　(3)mgx2　

解析　(1)本实验采用电火花打点计时器,其所用的电源为220 V交流电源,故选B。

(2)实验中,需要平衡摩擦力和其他阻力,正确操作方法是把长木板右端垫高,构成斜面,使重力沿斜面向下的分力跟它们平衡,故选A。

(3)由题知,小车所受的拉力大小等于重物的重力大小,从打O点到打B点的过程中,拉力对小车做的功W=mgx2;根据纸带中的信息可知B点的瞬时速度等于AC段的平均速度,则有v=。

2.答案　(1)交流　同一位置　(2)B　(3)GJ

解析　(1)除了图中已有的实验器材外,还需要导线、开关、刻度尺和交流电源;实验中对每次释放小车的位置要求是同一位置。(2)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,橡皮筋的弹力等于摩擦力,此时橡皮筋仍处于伸长状态,小车还没有运动到两个铁钉的连线处,选项B正确。(3)由纸带可看出,在纸带的GJ部分点迹已经是均匀分布了,说明小车做匀速运动,速度达到最大,故选GJ部分进行测量。

3.答案　(1)ABC　(2)B

解析　(1)由于本实验探究细绳拉力做的功与小车速度变化关系,所以要平衡摩擦力,选项A正确;由于本实验中细绳拉力近似等于重物的重力,则需要重物的质量远小于小车的质量,选项B正确;若细绳与平板不平行,则影响压力,平衡摩擦力就没有意义,选项C正确;在该实验方案中小车做匀加速直线运动,该方案处理数据时应求出某计数点的瞬时速度与小车对应于该点的位移,选项D错误。

(2)从上往下安放的顺序是复写纸、纸带,所以B的正确。

4.答案　(2)　(3)图见解析　(4)橡皮绳做功与小球获得的速度的平方成正比(或W∝v2)

解析　(2)根据胡克定律有F=k(l2-l1),解得橡皮绳的劲度系数为k=。

(3)作出W-v2图象,如图所示:

(4)由图象可知,W-v2图象为过原点的一条直线,所以橡皮绳做功与小球获得的速度的关系为:橡皮绳做功与小球获得的速度的平方成正比。

5.答案　(1)需要　(2)　(3)

解析　(1)利用小车自身重力的分力平衡接触面的摩擦力,这样传感器测量的外力即小车受到的合外力,所以需要平衡摩擦力;

(2)平衡摩擦力后,拉力传感器测出的外力F即为小车所受合外力,根据牛顿第二定律得F=ma

v2=2as

遮光条通过光电门的速度v=

联立以上各式解得s=·,所以s与成正比

(3)根据上述计算结果可知=k

解得小车(含传感器)的质量为m=。

6.答案　(1)DE　(2)物块要克服摩擦力做功

解析　(1)物块离开桌面后做平抛运动,竖直方向h=gt2,水平方向L=vt,联立解得v=L,要测物块被弹出时的速度,需要测量桌面到地面的高度h,小物块抛出点到落地点的水平距离L,选项D、E正确。

(2)物块在桌面上运动时,弹力对物块做正功,摩擦力对物块做负功,由于物块要克服摩擦力做功,则图象不过原点。