专题4 验证动能定理-2024年高考物理冲刺力学实验专题

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1.实验目的：探究功和物体速度变化的关系
2.实验原理：探究功与物体动能变化的关系，可通过改变力对物体做的功，测出力对物体做的功不同时物体的速度。为简化实验可将物体的初速度设置为零，可用如图所示的装置进行实验，通过增加橡皮筋的条数使橡皮筋对小车做的功成倍增加，再通过打点计时器和纸带来测量每次实验后小车的末速度，实验进行若干次，就得到若干组功和速度的数据
3.实验器材：橡皮筋、小车、木板、打点计时器、纸带、铁钉等
4.实验步骤：
①将实验仪器安装好，平衡好摩擦力
②先用一条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车获得的速度v1，设此时橡皮筋对小车做的功为W，测出小车获得的速度v2，记入表格
③用2条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次相同，这样橡皮筋对小车做的功为2W，测出小车获得的速度v2，记入表格
④用3条、4条。。。橡皮筋做实验，用同样的方法标记功，测量速度，记入表格
⑤分析数据，尝试作W--v、W--v2等图象，探究W、v的关系
知识点二、数据处理
1.测出每次做功后，小车获得的速度
2.分别用各次实验测得的v与W，绘制W-v或W-v2、W-v3、。。。图象，直到明确得出W与v的关系
3.结论：物体速度v与外力做功W间的关系为W∝v2
知识点三、误差分析
1.误差的主要来源是橡皮筋的长短，粗细不一，使橡皮筋的拉力做功W与橡皮筋的条数不成正比。
2.没有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力时倾角过大也会造成误差。
3.利用打上点的纸带计算小车的速度时，测量不准确带来误差
知识点四、注意事项
1.平衡摩擦力：将木板一端垫高，使小车重力沿斜面向下的分立与摩擦阻力平衡。方法是轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否匀速运动，找到木板一个合适的倾角。
2.选点测速：测小车速度时，纸带上的点应选均匀部分，也就是选小车做匀速运动的状态的。
3.规格相同：橡皮筋规格相同时，力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可，不必计算出具体数值
题型一：对实验操作的考查
某实验小组采用如图所示的装置探究功与速度变化的关系，小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿木板滑行。打点计时器的工作频率为50Hz。
(1)实验中木板略微倾斜，这样做________；
A．是为了使释放小车后，小车能匀加速下滑
B．是为了增大小车下滑的加速度
C．可使得橡皮筋做的功等于合力对小车做的功
D．可使得橡皮筋松弛后小车做匀速运动
(2)实验中先后用同样的橡皮筋1条、2条、3条…合并起来挂在小车的前端进行多次实验，每次都要把小车拉到同一位置再释放。把第1次只挂1条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功记为W1，第二次挂2条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功记为2W1……橡皮筋对小车做功后而使小车获得的速度可由打点计时器打出的纸带测出。根据第四次的纸带（如图所示）求得小车获得的速度为________m/s。
(3)若根据多次测量数据画出的W-v图象如图所示，根据图线形状，可知对W与v的关系符合实际的是图________。
【答案】 (1). CD (2). 2.0 (3). C
【解析】
【详解】(1)[1]木板倾斜是为了消除摩擦力的影响，可使得橡皮筋做的功等于合力对小车做的功，橡皮筋松弛后小车做匀速运动；故CD正确，AB错误。
故选CD。
(2)[2]各点之间的距离相等的时候小车做直线运动，由图可知，两个相邻的点之间的距离是时做匀速直线运动，打点时间间隔
小车速度
小车的速度应从匀速运动部分取纸带，可得小车获得的速度为2.m/s。
(3)[3]根据W＝mv2，W与v是二次函数关系，由图象可知C正确，ABD错误。
故选C。
题型二：对数据处理及误差的考查
2017年北京卷
如图1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，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“探究动能定理”的实验。
（1）打点计时器使用的电源是 （选填选项前的字母）。
A．直流电源 B．交流电源
（2）实验中，需要平衡摩擦力和其他阻力。正确操作方法是 （选填选项前的字母）。
A．把长木板右端垫高 B．改变小车的质量
在不挂重物且 （选填选项前的字母）的情况下，轻推一下小车，若小车拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响。
A．计时器不打点 B．计时器打点
（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2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为mg，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= 。
（4）以v2为纵坐标，W为横坐标，利用实验数据做出如图3所示的v2–W图像。由此图像可得v2随W变化的表达式为_________________。根据功与能的关系，动能的表达式中可能包含v2这个因子；分析实验结果的单位关系，与图线斜率有关的物理量应是_________。
（5）假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响，若重物质量不满足远小于小车质量的条件，则从理论上分析，图4中正确反映v2–W关系的是________。
【答案】（1）B（2）A，B （3）mgx2， （4）v2=kW， k=4.7kg1，（5）D
解析：（1）打点计时器均使用交流电，故选项B正确。
（2）平衡摩擦力和其他阻力，是通过垫高木板右端，构成斜面，使重力沿斜面向下的分力跟它们平衡，故选项A正确；实验时，是让打点计时器工作，纸带跟打点计时器之间会有滑动摩擦力，属于实验中小车受到的阻力之一，也需要平衡，故选项B正确。
（3）由图可知，小车拖动纸带移动的距离等于重物下落的距离，小车所受的拉力又约等于重物的重力，因此，W=mgx2；小车在运动时为匀变速直线运动，因此打B点时小车的速度为小车带动纸带打下AC段中间时刻的速度，也等于这段的平均速度，有
（4）由图像知，图像为一条过原点的倾斜直线，斜率为，故，设小车的质量为M，根据动能定理有，变形得，对照上式可知，因此斜率的单位为kg-1.
（5）将重物和小车看作一个系统，有，M、m质量不变，W=mgx，，因此图像为过原点的倾斜直线，应选择图象A。
题型三：实验创新及改进
1.2017年江苏卷
利用如题10-1图所示的实验装置探究恒力做功与物体动能变化的关系。小车的质量为M=200.0 g，钩码的质量为m=10.0 g，打点计时器的电源为50 Hz的交流电.
（1）挂钩码前，为了消除摩擦力的影响，应调节木板右侧的高度，直至向左轻推小车观察到_____________________.
（2）挂上钩码，按实验要求打出的一条纸带如题10-2图所示.选择某一点为O，一次每隔4个计时点取一个计数点.用刻度尺量出相邻计数点间的距离，记录在纸带上.计算打出各计数点时小车的速度v，其中打出计数点“1”时小车的速度v1=______m/s.
（3）将钩码的重力视位小车受到的拉力，取g=9.80 m/s，利用W=mg算出拉力对小车做的功W，利用算出小车动能，并求出动能的变化量△Ek.计算结果见下表.
请根据表中的数据，在答题卡的方格纸上作出图象.
（4）实验结果表明，△Ek总是略小于W， 某同学猜想是由于小车所受拉力小于钩码重力造成的。用题中小车和钩码质量的数据可算出小车受到的实际拉力F=__________.
答：（1）小车做匀速运动
（2）0.228
（3）图象如图所示
（4）0.093N
解析：（1）小车做匀速运动，则小车受到的摩擦力跟小车的下滑分力平衡，消除了摩擦力的影响。
（2）打出计数点“1”时小车的速度
（3）图象如图所示
（4）由牛顿第二定律， ，解得，
代入题给数据得F=0.093N
2.（2020届福建省仙游县枫亭中学高三上学期期末考试物理试题）12. 某实验小组同学利用如图甲所示的装置“探究滑块(含遮光条)的动能变化与合外力做功关系”．
实验主要步骤如下
①在水平桌面上放置气垫导轨，并将滑块调到平衡状态；
②用游标卡尺测量遮光条的宽度d；
③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离L；
④用天平称出滑块和遮光条的总质量M、托盘和砝码的总质量m，且m远小于M．
⑤将滑块移至光电门1右侧某处，释放滑块，托盘落地前遮光条已通过光电门2．从数字计时器读出遮光条通过光电门1的时间△t1，通过光电门2的时间△t2；
回答下列问题：
(1)为了调节滑块处于平衡状态，不挂细线和托盘，接通气源，轻推滑块，如果遮光条通过光电门1的时间为t1，通过光电门2的时间为t2．当满足t1___________t2(填“>”、“=”、“