全国2018届高考物理考点一遍过专题26实验：探究功与速度变化的关系含解析.docx

专题26 实验：探究功与速度变化的关系一、实验目的探究功与速度变化的关系或验证动能定理（功与速度的平方成正比关系）。二、实验器材1变力做功：橡皮筋、小车、木板、打点计时器和纸带、铁钉等。2恒力做功：钩码、小车、带滑轮的木板、打点计时器和纸带（或光电门）、细绳等。三、主要误差1橡皮筋不能严格相同，使橡皮筋拉力做的功与橡皮筋的条数不成正比。2钩码的重力作为小车受到的合外力时，钩码质量没有远小于小车质量造成的系统误差。3平衡摩擦力不足或过度。四、注意事项1平衡摩擦力时，小车应拉着纸带，使小车重力沿斜面向下的分力与木板对小车的摩擦力、打点计时器对纸带的阻力平衡。平衡时，打点计时器打出的纸带上点迹间距相等，即小车做匀速直线运动。2变力做功时，测小车速度应选纸带上的点均匀的部分，也就是选小车做匀速运动的部分。3恒力做功时，用光电门测速度，应考虑挡光部分的大小造成的误差。4小车质量应大一些，使力不变时，加速度较小，纸带上打下的点多一些。在“探究做功与物体速度变化的关系”实验中，某同学安装了如图所示的实验器材：（1）要完成实验目的，除了图示器材，在下列实验器材中还需要的有_A毫米刻度尺 B46 V直流电源C46 V交流电源 D沙桶或钩码（2）下列纸带（左边为先打下的点）中符合实验要求的是_，平衡摩擦力过度的是_。【参考答案】（1）AC （2）B D【详细解析】（1）要测量纸带上点间的距离，需要毫米刻度尺，电磁打点计时器，需要46 V交流电源，故选AC。（2）符合要求的纸带上后面的点迹均匀，选B；平衡摩擦力过度，则橡皮筋回复原状后小车仍有加速度，相邻点间的距离越来越大，选D。【名师点睛】用变力做功探究动能定理，变力的功可以倍数表示。常使用纸带记录数据，根据受力分析结合对纸带的运动分析，可得到实验中是否出现了较大误差或错误。1如图所示，某同学在做“探究功与速度变化的关系”的实验。当小车在1条橡皮筋的作用下沿木板滑行时，橡皮筋对小车做的功记为W。当用2条、3条橡皮筋重复实验时，设法使每次实验中橡皮筋所做的功分别为2W、3W。（1）实验室提供的器材有：长木板、小车、橡皮筋、电火花计时器、纸带、220 V交流电源（50 Hz），则还缺少的实验器材是_。（2）图中小车上有一固定小立柱，下图给出了4种橡皮筋与小立柱的套接方式，为减小实验误差，最合理的套接方式是_。（3）在操作正确的情况下，某次所打的纸带如图所示。打在纸带上的点并不都是均匀的，为了测量橡皮筋做功后小车获得的速度，应选用纸带的_部分进行测量，小车获得的速度是_m/s。（计算结果保留两位有效数字）【答案】（1）刻度尺 （2）A （3）GJ 0.65 某同学采用如图所示的装置进行了有关“动能定理”研究的实验。其步骤如下：按图把实验器材安装好，不挂配重，反复移动垫木直到小车能够做匀速直线运动；把细线系在小车上并绕过定滑轮悬挂质量为100 g的配重，接通电源，放开小车，电火花计时器在被小车带动的纸带上打下一系列点，从纸带上某点A开始，每隔4个点取一个计数点，依次标为B、C、D；测量出B、C、D各点与A点的距离，分别记为x1、x2、x3；用配重受到的重力分别乘以x1、x2、x3，得到配重重力所做的功W1、W2、W3（当地重力加速度g=9.8 m/s2）；求出打B、C、D各点时小车的速度大小，分别记为v1、v2、v3，再求出其平方、；以速度的平方v2为纵坐标，配重重力所做的功W为横坐标，作出图象。（以下计算均保留两位小数）（1）在步骤4中，该同学测得x4=40.00 cm，则配重重力所做的功W4=_J。（2）该同学得到的图象如图所示。通过图象可知，打A点时小车的速度v0=_m/s。（3）小车的质量M=_kg。【参考答案】（1）0.39 （2）0.50 （3）0.30【详细解析】（1）配重重力做的功为W4=mgx4=1001039.840.00102 J0.39 J。（2）由图可知，纵截距表示打A点时小车速度的平方，因此有，可得v0=0.50 m/s。（3）根据动能定理有，可得，结合图象的斜率，可得小车的质量M=0.30 kg。【名师点睛】用恒力做功探究动能定理时，由于力已知，则速度的平方实际上与位移成正比，就不必等力做完功才测速度。测量速度的方法不限于纸带，也可以用光电门或传感器。1某实验小组设计了如图甲所示的实验装置来做“探究做功和物体速度变化关系”的实验，实验装置中PQ为一块倾斜放置的木板，木板可认为是光滑的，在其上固定一个光电门，用来测量物块上遮光条通过光电门的时间。（1）若用游标卡尺测量遮光条的宽度，如图乙所示，则示数为d=_mm，遮光条通过光电门时，显示时间为t=0.002 s，则物块通过光电门的瞬时速度为_m/s。（2）让物块分别从不同高度无初速释放，测出物块释放的初位置到光电门的距离l1、l2、l3，读出物块上遮光条每次通过光电门的时间，计算出物块上遮光条每次通过光电门的速度v1、v2、v3，并绘制了如图丙所示的Lv图象。若为了更直观地看出L和v的变化关系，应该作出_图象。AL BLCLv DLv2【答案】（1）1.8 0.9 （2）D1某同学用图甲所示的器材做“探究功与速度变化的关系”的实验。如图甲所示，小车在一条橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行，这时橡皮筋对小车做的功计为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，使每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致，小车速度可由速度传感器测出，并经电脑处理后得出如图乙所示的一一对应的vt图象，由图象可以读出每次实验时小车获得的最大速度并记入表中。次数做功速度（ms1）速度平方（m2s2）1W1.001.0022W1.411.9933W1.732.9944WX55W2.245.02（1）表中“X”处的数值应该是_。（2）从表格中可以得出，合力的功W与速度v的关系是_。（3）在作图象时，由于实际操作过程中木板的倾角调整不当，造成实际图线与理想图线（虚线）存在差异，则作出的图象可能是_。ABCD2某中学实验小组采用如图1所示的装置探究功与速度的关系，小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿木板滑行。打点计时器工作频率为50 Hz。 （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外力对小车做的功D可使得橡皮筋松弛后小车做匀加速运动（2）实验中先后用同样的橡皮筋1条、2条、3条，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小车。把第1次只挂1条橡皮筋对小车做的功记为W，第2次挂2条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功为2W；橡皮筋对小车做功后获得的速度可由打点计时器打出的纸带测出。根据第4次实验的纸带（如图2所示）求得小车获得的速度为_m/s（结果保留三位有效数字）。 （3）画出的Wv图象如图3所示，根据图线形状可知，下列猜想肯定不正确的是_。 A BC D3某同学利用如图所示的装置探究功与速度变化的关系。实验主要步骤如下：使小物块在1条橡皮筋的作用下弹出，沿水平桌面滑行，之后平抛落至水平地面上，落点记为M1；在钉子上分别套2条、3条、4条相同橡皮筋，使每次橡皮筋拉伸的长度保持一致，重复步骤，小物块落点分别记为M2、M3、M4；测量相关数据，进行数据处理。（1）为求出小物块抛出时的速度，需要测量下列物理量中的_（填正确答案标号）。A小物块的质量mB橡皮筋的原长xC橡皮筋的伸长量xD桌面到地面的高度hE小物块抛出点到落地点的水平距离L（2）将几次实验中橡皮筋对小物块做的功分别记为W1、W2、W3，小物块抛出点到落地点的水平距离分别记为L1、L2、L3。若功与速度的平方成正比，则应以W为纵坐标、以_为横坐标作图，才能得到一条直线。（3）小物块与桌面之间的摩擦不能忽略，由此引起的误差属于_（填“偶然”或“系统”）误差。4某实验小组利用如图甲所示的装置探究功与速度变化的关系，他们将宽度为d的挡光片固定在小车上，用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与砝码盘相连，在水平桌面上的A、B两点各安装一个光电门，记录小车通过A、B时的遮光时间，小车中可以放置砝码，砝码对光电门无影响。实验主要步骤如下：用游标卡尺测量挡光片的宽度d。将木板略微倾斜以平衡摩擦力，使细线拉力做的功等于合力对小车做的功；将小车停在C点，在砝码盘中放上砝码，小车在细线拉动下运动，记录此时小车、小车中砝码和挡光片的质量之和为M，砝码盘和盘中砝码的总质量为m，小车通过A、B时的遮光时间分别为t1、t2；在小车中增减砝码或在砝码盘中增减砝码，重复的操作。（1）下表是他们测得的多组数据，其中|是两个速度的平方差，F为砝码盘及盘中砝码的总重力，W是F在A、B间做的功。表格中W3=_。（结果保留三位有效数字）次数M（kg）|（m2s2）F（N）W（J）11.0000.3800.4000.20021.0000.8260.8400.42031.0000.9961.010W342.0001.202.4201.2152.0001.422.8601.43（2）若在本实验中没有平衡摩擦力，假设小车与水平长木板之间的动摩擦因数为。利用上面的实验器材完成如下操作：保证小车质量不变（未知），改变砝码盘中砝码的数量（取绳上拉力近似为砝码盘及盘中砝码的总重力），测得多组m、t1、t2的数据，并得到m与的关系图象，如图乙所示。已知图象在纵轴上的截距为b，直线PQ的斜率为k，A、B两点的距离为s，挡光片的宽度为d，则=_；图线发生弯曲的原因是_。5如图所示的实验装置，可以用来验证动能定理和探究力和加速度的关系两个实验，其中M为带滑轮的小车的质量，m为砂和砂桶的质量。（滑轮质量不计）（1）对这两个实验，下列说法正确的是_。A都要用天平测出砂和砂桶的质量B为了让小车受到的合力等于绳的拉力，都要将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力C都要让小车靠近打点计时器，先接通电源再释放小车，打纸带的同时记录弹簧测力计的示数D为减小误差，实验中要保证砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M（2）改变砂和砂桶的质量，以弹簧测力计的示数F为横坐标，加速度a为纵坐标，画出的aF图象是一条直线，求得图线的斜率为k，则小车的质量为_。（3）实验中正确操作打出的一条纸带如图所示，测出各计数点到0点的距离x，计算出打各计数点时小车的速度v，若要便于验证动能定理，应作_（填“xv”、“xv2”或“xv3”）图象。6某实验小组利用图示装置进行“探究动能定理”的实验，实验步骤如下：A挂上细线和钩码，调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速运动；B打开速度传感器，取下轻绳和钩码，保持A中调节好的长木板倾角不变，让小车从长木板顶端由静止下滑，分别记录小车通过速度传感器1和速度传感器2时的速度大小v1和v2；C重新挂上细线和钩码，改变钩码的个数，重复步骤AB。回答下列问题：（1）按上述方案做实验，长木板表面粗糙对实验结果_（填“有”或“无”）影响。（2）若要验证动能定理，还需测量的物理量有_。A悬挂钩码的总质量m B长木板的倾角C两传感器间的距离l D小车的质量M（3）根据实验所测的物理量，验证动能定理的表达式为_（重力加速度为g）。7某实验小组做“探究动能定理”实验，装置如图甲所示。探究对象是铝块（质量小于砂桶），保持其质量m不变，通过在砂桶中加砂来改变对铝块的拉力，由力传感器可测得拉力的大小F。已知当地重力加速度为g，电源频率为f。（1）若把力传感器装在右侧轻绳上则实验的误差会更_（填“大”或“小”）。（2）实验时，让砂桶从高处由静止开始下落，在纸带打出一系列的点，如图乙所示，其中0是打下的第一个点，取纸带上05过程进行研究，铝块动能的增加量Ek=_，外力做的功W=_。（3）为了更普遍地反应铝块运动过程中功与动能增加量的关系，某同学选取0点到不同计数点过程，作出EkW图象如图丙所示，他根据_，才得到结论：外力做的功等于动能的增加量。（4）为了提高实验效果，提出一条合理的建议：_。8如图，某研究性学习小组为探究“物体的做功与动能的关系”，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Ep=，式中k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量。（1）为减小实验误差，弹射装置距离轨道端点O应该_（填“近些”或“远些”）。（2）实验中是否要测量桌面的高度。_（填“是”或“否”）。（3）改变弹簧的压缩量x，并测出对应的小球做平抛运动的水平位移s，在坐标纸中根据已描出的点作出合理的图线。9为了探究做功与物体动能之间的关系，在气垫导轨上放置一带有遮光片的滑块，轻弹簧的一端与滑块相接，另一端固定在气垫导轨的一端，将一光电门P固定在气垫导轨底座上适当位置，如图所示。弹簧处于自然状态时，滑块上的遮光片刚好位于光电门的挡光位置，与光电门相连的光电计时器可记录遮光片通过光电门时的挡光时间。实验步骤如下：用游标卡尺测量遮光片的宽度d；在气垫导轨上适当位置标记一点A（图中未标出，A、P间距离远大于d），将滑块从A点由静止释放，由光电计时器读出滑块第一次通过光电门时遮光片的挡光时间t；利用所测数据求出滑块第一次通过光电门时的速度v；更换劲度系数不同而自然长度相同的弹簧重复实验步骤，记录弹簧劲度系数及相应的速度v。实验数据如下表所示：弹簧劲度系数k2k3k4k5k6kv/(ms1)0.711.001.221.411.581.73v2/(m2s2)0.501.001.491.992.492.99v3/(m3s3)0.361.001.822.803.945.18（1）测量遮光片的宽度时游标卡尺读数如图所示，读得 d=_m。（2）用测量的物理量表示遮光片通过光电门时滑块速度的表达式v=_。（3）已知滑块从A点运动到光电门P处的过程中，弹簧对滑块做的功与弹簧的劲度系数成正比，根据表中数据可得出弹簧对滑块做的功W与滑块通过光电门时的速度v的关系是_。10（2017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，利用实验数据作出如图3所示的v2W图象。由此图象可得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v2W关系的是_。11（2017江苏卷）利用如图1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图2所示。选择某一点为O，依次每隔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）将钩码的重力视为小车受到的拉力，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。计算结果见下表。2.452.923.353.814.262.312.733.123.614.00请根据表中的数据，在方格纸上作出图象。（4）实验结果表明，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=_N。12（2014天津卷）某同学把附有滑轮的长木板放在实验桌上，将细绳一端拴在小车上，另一端绕过定滑轮，挂上适当的钩码，使小车在钩码的牵引下运动，以此定量探究绳拉力做功与小车动能变化的关系，此外还准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸、纸带、小木块等。组装的实验装置如图所示。（1）若要完成该实验，必需的实验器材还有哪些。_（2）实验开始时，他先调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的细绳与木板平行，他这样做的目的是下列的哪个。_（填字母代号）A避免小车在运动过程中发生抖动B可使打点计时器在纸带上打出的点清晰C可以保证小车最终能够实现匀速直线运动D可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力（3）平衡摩擦力后，当他用多个钩码牵引小车时，发现小车运动过快，致使打出的纸带上点数较少，难以选到合适的点计算小车速度，在保证所挂钩码数目不变的条件下，请你利用本实验的器材提出一个解决办法：_。（4）他将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功，经多次实验发现拉力做功总是要比小车动能增量大一些，这一情况可能是下列哪些原因造成的_（填字母代号）。A在接通电源的同时释放了小车B小车释放时离打点计时器太近C阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平衡掉D钩码匀加速运动，钩码重力大于细绳拉力 1（1）2.00 （2） （3）AD【解析】（1）由图乙可知X=2.00。（2）由表中数据可得。（3）若倾角较小，平衡摩擦力不够，则根据动能定理有，A正确；若倾角较大，平衡摩擦力过度，则根据动能定理有，D正确。2（1）C （2）2.00 （3）AB（2）各点之间的距离相等时，小车做匀速直线运动，由图可知，两相邻点间的距离是4.00 cm时做匀速直线运动，打点时间间隔，利用公式。（3）根据数学知识可知，图3的图象不可能为AB，图象与y=xn（n=2,3,4,）函数图象类似，由于是探究实验不能直接得到，故选AB。3（1）DE （2）L2 （3）系统【解析】（1）小物块抛出后做平抛运动，在水平方向有v0=，在竖直方向有h=gt2，故需要测量小物块抛出点到落地点的水平距离L和桌面到地面的高度h，选DE。（2）小物块抛出后的速度的平方=，其中g、h不变，因为功与速度的平方成正比，则应以W为纵坐标、以L2为横坐标作图，才能得到一条直线。（3）由于实验装置存在一些不能克服的问题而导致的误差叫做系统误差，故由于小物块与桌面之间的摩擦不能忽略，引起的误差属于系统误差。4（1）0.505 （2） 绳上拉力不能近似为砝码盘及盘中砝码的总重力【解析】（1）由W=Fs，可得A、B间的距离s=0.5 m，则W3=1.0100.5=0.505(J)。（2）小车受到的拉力F0=Ff=mgMg，小车的位移是s，由运动学规律有2s=，可得m=+M，故k=，b=M，解得=；当砝码盘中砝码的数量增加使绳上拉力不能近似为砝码盘及盘中砝码的总重力时，图线就会弯曲。5（1）BC （2） （3）xv2（2）由牛顿第二定律有2F=ma，可得a=F，则aF图象的斜率k=，小车的质量m=。 （3）要验证动能定理，应对比外力做的功W=Fx和小车动能增加量Ek=mv2，即作xv2图象。6（1）无 （2）ACD （3）【解析】（1）平衡摩擦力后，小车在重力、木板支持力、摩擦力、细线拉力作用下处于平衡状态，撤去钩码后小车受到的合外力等于钩码的重力，所以长木板表面粗糙对实验结果没有影响。（2）要验证动能定理，需求出合外力mg的功mgl，及小车动能的变化量，故还需测量的物理量有悬挂钩码的总质量m、两传感器间的距离l、小车的质量M，选ACD。（3）根据动能定理，合外力对小车做的功等于小车动能的变化量，有。7（1）大 （2） （3）图象斜率近似为1（4）铝块换成密度更大的物块（或计算上力传感器质量）【解析】（1）若把力传感器装在右侧轻绳上，由于细绳和滑轮间存在摩擦，而使F的值偏大，实验误差会更大。（2）铝块做匀加速运动，平均速度等于中间时刻的瞬时速度，则，铝块动能的增加量，外力做的功。 （3）若外力做的功等于动能的增加量，则Ek=W，作出的EkW图象的斜率应近似为1。（4）可将铝块换成密度更大的物块，可以在计算时不忽略力传感器的质量。8（1）近些 （2）否