高中物理高考 专题（24）实验五 探究动能定理（解析版）

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2021年高考物理一轮复习必热考点整合回扣练专题（24）实验五 探究动能定理（解析版）考点一  　1、现提供了如图甲所示的实验器材，来探究“合外力做的功与物体速度变化的关系”的实验，由图可知：(1)平衡摩擦力时，小车是否要挂纸带_____(选填“要”或“不要”)。 (2)在某次实验中，得到如图乙所示的一条纸带，在A、B、C三个计数点中应该选用_____(选填“A”“B”或“C”)点的速度才符合实验要求。 (3)某同学采用如图甲所示的装置来做实验，先使小车不连接橡皮筋，发现小车在木板上加速下滑。那么，在橡皮筋弹力的作用下，合外力对小车所做的功_____(选填“大于”“小于”或“等于”)橡皮筋弹力所做的功。 【答案】(1)要　(2)C　(3)大于 【解析】(1)小车运动时，受到木板的阻力以及纸带与打点计时器间的摩擦阻力，所以平衡摩擦力时，小车需要挂纸带。(2)橡皮筋恢复原长后，小车做匀速直线运动，所以选用C点的速度才符合实验要求。(3)小车不连接橡皮筋，发现小车在木板上加速下滑，可知木板倾斜。在橡皮筋弹力的作用下，合外力对小车所做的功大于橡皮筋弹力做功。2、在“探究恒力做功与动能改变的关系”实验中（装置如图甲）：① 下列说法哪一项是正确的___________．（填选项前字母）    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）．【答案】C    0.653    【解析】①车在水平木板运动时水平方向受到绳的拉力和摩擦力，想用钩码的重力表示小车受到的合外力，首先需要平衡摩擦力；而平衡摩擦力是小车带动纸带恰好做匀速运动，A错误；设小车质量M，钩码质量m，整体的加速度为a，绳上的拉力为F，则：对小车有：F=Ma；对钩码有：mg-F=ma，即：mg=（M+m）a；如果用钩码的重力表示小车受到的合外力，则要求：Ma=（M+m）a，必须要满足小车的总质量远大于钩码质量，这样两者才能近似相等．为使纸带打上尽量多的点，实验时，应使小车靠近打点计时器由静止释放② 中间时刻的瞬时速度等于该过程的平均速度得：=0.653m/s.【提 分 笔 记】(1)为使橡皮筋的拉力所做的功为合外力对小车所做的功，必须平衡小车的摩擦力．(2)利用小车拖着纸带，小车匀速运动则摩擦力才算被平衡，此操作一是可通过纸带观察小车是否匀速，二是可同时平衡纸带运动所受的阻力．3、　某同学用如图所示的实验装置探究小车动能变化与合力对它所做功的关系．图中A为小车，连接在小车后面的纸带穿过打点计时器B的限位孔，它们均置于水平放置的一端带有定滑轮的足够长的木板上，C为弹簧测力计，不计绳与滑轮的摩擦．实验时，先接通电源再松开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点．该同学在一条比较理想的纸带上，从点迹清楚的某点开始记为0点，顺次选取5个点，分别测量这5个点到0之间的距离，并计算出它们与0点之间的速度平方差Δv2(Δv2＝v2－v)，填入下表：点迹x/cmΔv2/(m2·s－2)0——11.600.0423.600.0936.000.1547.000.1859.200.23 (1)请以Δv2为纵坐标、x为横坐标在坐标图中作出Δv2­x图象．若测出小车质量为0.2 kg，结合图象可求得小车所受合力的大小为________N.(2)若该同学通过计算发现小车所受合力小于弹簧测力计读数，明显超出实验误差的正常范围．你认为主要原因是________________，实验操作中改进的措施是_______________________________________________．【答案】(1)见解析图　0.25(2)小车滑行时所受摩擦阻力较大　将木板左侧垫高，使木板倾斜一定的角度以平衡摩擦力[解析]　(1)由v2－v＝2ax可知Δv2＝2ax，在Δv2­x图象中，斜率k＝2a＝2.5，由F＝ma，得F＝0.25 N.(2)主要原因为没有平衡摩擦力，改进措施可以把木板左侧垫高，使木板倾斜一定的角度以平衡摩擦力．【提 分 笔 记】处理实验数据的方法有平均值法、列表法和图象法，本题主要用了后两种方法处理实验数据．列表法的优点是将数据列成表格，可以简明地表示出有关物理量之间的关系，便于检查测量结果和运算是否合理，有助于发现和分析问题，而且列表法还是图象法的基础．图象法的优点是通过作图可以找到或反映物理量之间的变化关系，并便于找出其中的规律，确定对应量的函数关系.考点二  　本实验可从下列两个方面改进创新1．实验器材的改进：用拉力传感器测量拉力，用速度传感器测量速度．2．实验方案的创新(1)利用自由落体运动探究功和动能的关系．(2)研究小车以不同的初速度沿粗糙水平面滑动的距离，得出小车的初动能大小与克服摩擦力做功的情况，也可探究动能定理．(3)让小球从斜面上某高处滚下，然后做平抛运动等．4、（2020·新课标Ⅲ卷）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。    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2位小数）。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_________。【答案】0.36  1.80  B、P之间的距离【解析】由匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于平均速度；，验证动能定理需要求出小车运动的过程中拉力对小车做的功，所以还需要测量对应的B、P之间的距离。 【提 分 笔 记】信息含义(1)气垫导轨——不需要平衡摩擦力；(2)光电门——根据计算速度；(3)力传感器——直接读出拉力．5、图甲是小明探究橡皮筋弹力做的功W与小车动能变化ΔEk间的关系的装置图，长木板放在水平桌面上，橡皮筋的两端分别与小车和挡板相连。实验中，通过增加橡皮筋的条数来改变弹力所做的功。     (1)下列实验操作正确的是_____。 A.实验时，应先释放小车，然后接通电源B.增加橡皮筋条数时，应选取相同的橡皮筋C.每次应将小车拉到相同的位置由静止释放D.实验前应平衡小车在木板上所受的摩擦力(2)图乙是实验中某条纸带的一部分，相邻计数点间时间间隔T=0.1 s。为探究橡皮筋弹力做的功W与小车动能变化ΔEk间的关系，小明用v== m/s来计算小车的速度。他的算法是否正确？_____(选填“正确”或“不正确”)，理由是　 _______________________________________________。 (3)图丙是根据实验数据所画出的W-ΔEk图象，根据此图象能否验证动能定理？_____(选填“能”或“不能”)，理由是　____________________________。 【答案】(1)B、C、D　 (2)不正确　 此时小车仍处于加速阶段　 (3)不能　 由图象只能得出W与ΔEk成线性关系，并不能得到两者相等关系【解析】(1)实验时，应先接通电源，再释放小车，故A错误；实验时，要求通过增加橡皮筋的条数，使功成倍增加，故增加橡皮筋条数时，应选取相同的橡皮筋，并且每次应将小车拉到相同的位置由静止释放，故B、C正确；实验要探究橡皮筋做的功等于小车动能的变化量，所以应该消除摩擦力的干扰，实验前应先平衡小车在木板上所受的摩擦力，故D正确。(2)他的算法不正确。理由是由纸带可看出在打2、3、4点时，小车仍处于加速阶段，应该选取小车匀速运动时的纸带计算速度。(3)根据此图象不能验证动能定理。因为由图象只能得出W与ΔEk成线性关系，并不能得到两者相等关系。6、为了探究动能变化与合外力做功的关系，某同学设计了如下实验方案：第一步：把长木板附有滑轮的一端垫起，把质量为M的滑块通过细绳与质量为m的带夹子的重锤跨过定滑轮相连，重锤后连一穿过打点计时器的纸带，调整木板倾角，直到轻推滑块后，滑块沿木板向下匀速运动，如图甲所示．第二步：保持长木板的倾角不变，将打点计时器安装在长木板靠近滑轮处，取下细绳和重锤，将滑块与纸带相连，使纸带穿过打点计时器，然后接通电源，释放滑块，使之从静止开始向下加速运动，打出纸带，如图乙所示．打出的纸带如图丙所示．请回答下列问题：(1)已知O、A、B、C、D、E、F相邻计数点间的时间间隔为Δt，O点为打点计时器打下的第一点，根据纸带求滑块运动的速度，打点计时器打B点时滑块运动的速度vB＝________.(2)已知重锤质量为m，当地的重力加速度为g，要测出某一过程合外力对滑块做的功还必须测出这一过程滑块________(写出物理量名称及符号，只写一个物理量)，合外力对滑块做功的表达式W合＝________.(3)算出滑块运动OA、OB、OC、OD、OE段合外力对滑块所做的功W以及在A、B、C、D、E各点的速度v，以v2为纵轴、W为横轴建立直角坐标系，描点作出v2­W图象，可知该图象是一条________，根据图象还可求得________．【答案】(1)　(2)下滑的位移x　mgx　(3)过原点的倾斜直线　滑块的质量M【解析】(1)由打出的纸带可知打B点时的速度为vB＝.(2)由题知撤去重锤后，滑块下滑时受到的合力等于重锤的重力，只要知道滑块下滑的位移x就可得合力所做的功，W＝mgx.(3)由动能定理得W＝Mv2，若描点作出v2­W图象，则其为一条过坐标原点的倾斜直线，直线斜率k＝，故可求滑块质量M.7、如图所示，某研究性学习小组为探究“物体的动能与速度的关系”设计了如下实验：平直轨道B固定在水平桌面上．弹射装置A固定于轨道上，小球被劲度系数较大的压缩弹簧弹出后从轨道端点O滑出做平抛运动落到地面．已知弹簧的弹性势能的表达式为Ep＝kx2，式中的k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量．(1)为减少实验误差，弹射装置距离轨道端点O应该________(填“近些”或“远些”)．(2)要探究动能与速度的关系，实验中是否一定要测量桌面的高度？________(填“是”或“否”)．(3)在实验过程中改变弹簧的压缩量x，并测出与其对应的小球做平抛运动的水平位移s.实验数据如表所示.次数12345x(cm)1.02.03.04.05.0s(m)0.320.650.951.081.60在坐标纸中根据已描出的点作出合理的图线．(4)根据(3)中所作出的图象，可以得出动能Ek与速度v的关系：____________________.请简要说明理由________________________________________________________________．【答案】(1)近些　(2)否　(3)见解析图(4)Ek∝v2　由能量守恒可知，Ek＝Ep，由题意可知Ep＝kx2，所以Ek∝x2，由图有x∝s，由平抛运动有s∝v，所以Ek∝v2【解析】(1)由于小球在轨道B上运动有摩擦，为减少实验误差，弹射装置距离轨道端点O应该近些．(2)要探究动能与速度的关系，实验中不需要测量桌面的高度．(3)将数据点拟合成直线，画出s­x图线．(4)由能量守恒定律可知Ek＝Ep，而Ep＝kx2，由图象可知，x∝s，由平抛运动规律，s∝v，所以Ek∝v2.8、为验证“动能定理”，即：合外力对物体做的功等于物体动能的变化，实验装置如图甲，木板倾斜构成斜面，斜面B处装有图乙所示的光电门。(1)如图丙，用10分度的游标卡尺测得挡光条的宽度d=_________cm。 (2)装有挡光条的物块由A处静止释放后沿斜面加速下滑，读出挡光条通过光电门的挡光时间t，则物块通过B处时的速度为_________(用字母d，t表示)。 (3)测得A、B两处的高度差为H，水平距离L；已知物块与斜面的动摩擦因数为μ，为了完成实验，还必须知道的物理量是___________。 (4)如果实验结论得到验证，则以上各物理量之间的关系满足：H=___________(用字母表示)。 【答案】(1)0.51　(2)　(3)当地的重力加速度g   (4)【解析】(1)游标卡尺的主尺读数为0.5 cm，游标读数等于0.1×1 mm=0.1 mm=0.01 cm，所以最终读数为0.5 cm+0.01 cm=0.51 cm。(2)物块通过光电门时的速度为v=。(3)根据物块下滑过程中，重力与滑动摩擦力做的功，等于动能的增加，则m=mgH-μmgcosθ·=mgH-μmgL，为了完成实验，还必须知道的物理量是重力加速度g。(4)根据动能定理得m=mgH-μmgL，解得H==。9、某兴趣小组在做探究做功和物体速度变化关系的实验前，提出以下几种猜想：①W∝v，②W∝v2，③W∝，他们的实验装置如图所示，PQ为一倾斜放置的薄木板，实验开始前，他们共同探究如何测量出小车通过斜面底端Q点的速度．有位同学认为可以通过实验改进，不需要测出小车通过Q点的速度，也能完成实验．他的方案是：①将另一长木板放置在水平桌面．②在薄木板上标出等距离的位置点如1、2、3、4，然后将薄木板倾斜放置，使薄木板与长木板良好接触且固定两板．③将小车从薄木板上离长木板最近的位置1释放，记下小车在长木板上停止的位置x1.④将小车从薄木板上的2、3、4位置释放，记下小车在长木板上停止的位置x2、x3、x4.⑤用刻度尺测量出各位置点到斜面底部的距离．请思考该同学的探究思路并回答下列问题：(1)小车从斜面某一位置静止下滑，通过改变__________________来控制合力所做的功成倍增加；将小车滑到斜面底部的速度的测量转化为______________________的测量．(2)下列对本实验的说法正确的是________．(填选项前的字母)A．由于薄木板不光滑对实验结果影响较大B．薄木板倾斜的角度要大些C．薄木板倾斜的角度要适当小些(3)下表是实验测得的数据：数据组1234功W2W3W4W小车在长木板上滑行的距离x(cm) 6.129.1012.03①最开始小车到达的位置如图所示，请将测量的读数填入表格空白处．②以合力对小车所做的功为纵坐标，小车在长木板上滑行的距离为横坐标，根据测量的数据描点画出的直线斜率是______________________．(填表示的物理量，不填具体的数据)③根据表格实验数据可以得出合力对小车做的功与小车获得的速度关系为__________________________________________________________．【答案】(1)小车在斜面上下滑的位置　在长木板上滑行的距离　(2)C　(3)①2.90　②在长木板上受到的滑动摩擦力　③在误差允许的范围内，合外力做的功与小车速度的二次方成正比【解析】(1)小车在斜面某一位置静止下滑，受力不变．要使合力做功W＝FL成倍增加，可以通过改变小车在斜面上下滑的位置来控制，也就是使物体下滑的距离为L、2L、3L、4L…相应的合力所做的功也就为W、2W、3W、4W…小车从斜面滑下后，在长木板上将在摩擦力作用下做匀减速直线运动，并最终停下来．设小车到斜面底部时的速度为v，在长木板上滑行的距离为x，则v2＝2ax.对同一小车来说，在同一木板上受的摩擦力也不变，则加速度也不变，即v2与x成正比，由所给的数据可以知道，W与x成正比，所以W与v2成正比．所以小车从斜面某一位置静止下滑时，通过改变小车在斜面上下滑的位置来控制合力所做的功成倍增加；将小车滑到斜面底部的速度的测量转化为在长木板上滑行的距离的测量．(2)在本实验中，研究的是合力所做的功与速度的关系，有无摩擦力对实验结果无影响，选项A错误；薄木板倾斜度太大，小车下滑到水平面时产生太大的碰撞，增大实验误差，选项B错误，C正确．(3)①根据刻度尺读数规则得示数为2.90 cm.②由于W＝Ffx，所以直线斜率是在长木板上受到的滑动摩擦力．③根据表格实验数据可以得出在误差允许的范围内，合外力做的功与小车速度的二次方成正比．10、如图所示，气垫导轨上质量为M的滑块通过轻质细绳绕过轻质动滑轮与拉力传感器相连，动滑轮下悬挂质量为m的钩码，滑块上遮光条宽度为d。实验时，滑块由静止释放，测得遮光条通过光电门的时间为Δt，拉力传感器的读数为F。               (1)用游标卡尺测量遮光条宽度，其读数为_______ cm。 (2)某同学在“探究绳子拉力对滑块做功与滑块动能变化的关系”实验时，记录滑块的初位置与光电门的距离L及挡光条通过光电门的时间Δt，测得多组L和Δt值。应用图象法处理数据时，为了获得线性图象应作_______象(选填“L-”“L-”或“L-(Δt)2”)，该图象的斜率k=_________。 (3)该同学通过实验发现：绳子拉力F做的功总大于滑块动能的变化量。若实验数据测量准确，出现该情况的可能原因是_________。 A.钩码质量m未远小于滑块质量MB.滑块运动过程中克服阻力做功C.气垫导轨没有调节水平D.没有考虑动滑轮的质量【答案】(1)0.360　(2)L-　　(3)B、C 【解析】(1)游标卡尺的主尺读数为3 mm，游标尺上第12个刻度和主尺上某一刻度对齐，所以游标读数为12×0.05 mm=0.60 mm，所以最终读数为：3mm+0.60 mm=3.60 mm=0.360 cm。(2)滑块通过光电门的速度v=，根据动能定理可知FL=M()2，解得L=·，故为了获得线性图象应作L-图象，斜率为k=。(3)小车受到的拉力是通过拉力传感器获得的，与钩码的质量和小车质量无关，故A错误；滑块运动过程中克服阻力做功，故B正确；气垫导轨没有调节水平，拉力做功的一部分转化为小车的势能，动能减小，故C正确；动滑轮的质量不会影响拉力传感器的拉力大小，故D错误。