2020版高考物理100考点最新模拟题千题精练专题7.10探究动能定理实验（提高篇）（含解析）.docx

专题7.10 探究动能定理实验（提高篇）1(6分) （2019湖北名校联盟三模）某同学为探究“恒力做功与物体动能改变的关系”，设计了如下实验，他的操作步骤是：a连接好实验装置如图所示b将质量为200 g的小车拉到打点计时器附近，并按住小车c在质量为10 g、30 g、50 g的三种钩码中，他挑选了一个质量为50 g的钩码挂在拉线的挂钩P上d. 释放小车，打开打点计时器的电源，打出一条纸带(1)在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条经测量、计算，得到如下数据：第一个点到第N个点的距离为40.0 cm.打下第N点时小车的速度大小为1.00 m/s.该同学将钩码的重力当作小车所受的拉力，拉力对小车做的功为_ J，小车动能的增量为_ J.(注：g取9.80m/s 计算结果均保留3位有效数字) (2)此次实验探究结果，他没能得到“恒力对物体做的功等于物体动能的增量”，且误差很大，显然，在实验探究过程中忽视了各种产生误差的因素请你根据该同学的实验装置和操作过程帮助分析一下，造成较大误差的主要原因有_(至少写出两条原因)：【参考答案】(1)0.196 0.100 (2) 小车质量没有远大于钩码质量没有平衡摩擦力操作错误：先放小车后开电源(任选其二)【名师解析】（1）从打下第一点到打下第N点拉力对小车做的功：W=mgs=0.059.80.4J=0.196J；小车的动能增量为：EK=mv2=0.100J；（2）该实验产生误差的主要原因一是钩码重力大小并不等于绳子拉力的大小，设绳子上拉力为F，对小车根据牛顿第二定律有：F=Ma，对钩码有：mg-F=ma；解得，由此可知当Mm时，钩码的重力等于绳子的拉力，显然该实验中没有满足这个条件；另外该实验要进行平衡摩擦力操作，否则也会造成较大误差操作错误：先放小车后开电源也会引起较大误差；（任选两条）。2.（2019湖南长沙长郡中学二模）在课外兴趣小组实验时，某同学利用如图1所示的装置探究功与速度变化的关系。操作步骤如下：a小物块在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；b在钉子上分别套上2条、3条、4条同样的橡皮筋，使每次橡皮筋拉伸的长度都保持一致，重复步骤a，小物块落点分别记为M2、M3、M4；c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大小，需要测量下列物理量中的_（填正确答案标号）。A橡皮筋的原长xB橡皮筋的伸长量xC桌面到地面的高度h D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，则若以W为横坐标、以L2为纵坐标作图，得到的图象是_A直线 B抛物线 C双曲线 D无法确定（3）若考虑物块从释放位置到桌子边沿克服阻力做的功，请在图2中画出（2）中的大致图象形状；（4）根据（3）中画出的图象_（“能”、“不能”）说明动能的增量与合力做功的关系。【参考答案】（1）C D （2）A（3）如图所示， （4）能【名师解析】（1）小物块在橡皮筋的作用下离开桌面做平抛运动，由水平位移和竖直就能求出平抛的初速度，v=，所以要测量桌面的高度h，小物块抛出点与落地点的水平距离L。 （2）由动能定理有：W=，由此看出W与L2是一次函数的关系，画出的L2-W图象是直线。（3）若考虑桌面阻力所做的负功，则由动能定理有：W-Wf=，所以有L2=，画出图象如图所示。（4）若L2与W是直线关系，则可证明两者是线性关系，即合力所做的功等于动能的增加量。3. （9分）某探究学习小组的同学欲以如图装置中的滑块为对象验证“动能定理”，他们在实验室组装了一套如图所示的装置，另外他们还找到了打点计时器所用的学生电源、导线、复写纸、纸带、小木块、细沙、垫块等需要的东西当滑块连接上纸带，用细线通过滑轮挂上空的小沙桶时，释放小桶，滑块处于静止状态若你是小组中的一位成员，要完成该项实验，则：（1）实验时为了保证滑块（质量为M）受到的合力与沙和沙桶的总重力大小基本相等，实验时首先要做的步骤是 。（2）某同学在实验时用电磁打点计时器打了一条理想的纸带，他按要求选取计数点后，在测量各相邻两计数点间的距离时不慎将纸带撕成了几段，如图所示，但他知道甲、乙属于同一纸带，则丙、丁、戊中属于上述纸带的是_。(3)另一位同学平衡摩擦力后，改变砝码盘中砝码的数量，多次重复测量，在某次实验中根据测得的多组数据可画出aF关系图线（如图所示）. 此图线的AB段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是（ ）A小车与轨道之间存在摩擦B导轨保持了水平状态C砝码盘和砝码的总质量太大D所用小车的质量太大（4）如图所示的是小车做匀变速运动时打点计时器打出纸带的其中一段（有个别点较模糊或没有打出），该同学已经在纸带上取了两个计数点A、B并将一把毫米刻度尺放在纸带上，其零刻度线与计数点A对齐，已知打点计时器所使用的电源的频率为50Hz.根据纸带的数据，打点计时器打下计数点B时，物体的速度vB_m/s，该物体的加速度a= m/s2。010123456789cmBA【参考答案】（1）平衡摩擦力；（2）戊；（3）C；（4）0.15；0.81m/s2【名师解析】（1）沙和沙桶加速下降，处于失重状态，拉力小于重力，只有加速度较小时，可以认为滑块受到的合力与沙和沙桶的总重力大小基本相等，即T=mg，故需要mM；滑块受到的合力为F=Tf，要使合力等于拉力，可以将长木板的一端适当垫高，使重力的下滑分力与摩擦力平衡，即可保证拉力等于合力，即F=T；（2）从甲乙两图中可读1与2的间距为3.65cm，2与3的间距为4.72cm，而小车在长木板上做匀加速运动，以此类推，3与4的间距为5.79cm，3与4的间距为6.86cm，接近6.99cm，故选戊。（3）由图象OA段可知，a与F成正比，即：在小车质量一定时，加速度a与小车受到的合力F成正比；以小车与钩码组成的系统为研究对象，系统所受的合外力等于钩码的重力mg，由牛顿第二定律得：mg=（m+M）a，小车的加速度，小车受到的合力，当时，可以认为小车受到的合力等于钩码的重力，如果钩码的质量太大，则小车受到的合力小于钩码的重力，实验误差较大，a-F图象偏离直线，故C正确(4) A、B间的距离为1.05cm，在B点后依次取下一个相邻的计数点C、D、E，对应的刻度尺上的读数为3.05cm、5.75cm、9.32cm，相邻的计数点时间间隔为0.1s。打点计时器打下计数点B时，物体的速度, 根据运动学公式推论 ,采用逐差法得出： =4（8分）小明所在的实验小组，为探究“拉力做功与物体动能变化的关系”，他们在实验室组装了一套如图甲所示的装置。已知小车的质量为M=200 g，该小组的同学想用钩码的重力作为小车受到的合外力，为了实现这个想法，必须要先平衡摩擦力，并选择适当的钩码。（1）平衡摩擦时，下列操作正确的是_。（A）挂上钩码，放开没有纸带的小车，能够自由下滑即可（B）挂上钩码，轻推没有纸带的小车，小车能够匀速下滑即可（C）不挂钩码，放开拖着纸带的小车，能够自由下滑即可（D）不挂钩码，轻推拖着纸带的小车，小车能够匀速下滑即可（2）他们在实验室找到的钩码质量有10 g、20 g、50 g和100 g的，应选择质量为_的钩码最为合适。（3）该实验小组打下一条纸带，将纸带上打的第一个点标为“0”，且认为打“0”时小车的速度为零，其后依次标出计数点1、2、3、4、5、6（相邻2个计数点间还有4个点未画），量出计数点3、4、5到计数点0的距离分别为x1、x2和x3，如图乙所示。已知打点计时器的打点周期为T，小车的质量为M，钩码质量为m，重力加速度为g，则在打计数点0到4的过程中，小车的动能增量为_。（4）通过多次试验并计算，小明发现，小车动能的增量总略小于mgx。你认为造成这样的原因可能是_。【参考答案】（1）D （2）10 g （3） （4）由于钩码做加速运动，所以细绳对小车的拉力小于钩码的重力mg；或平衡摩擦力时倾角不够（两者答出任意一个都给分）（每空2分，共8分）【名师解析】（1）由于运动过程中纸带与打点计时器间也有摩擦，可以通过重力的分力一起平衡。平衡以后，挂上钩码，此时细绳对小车的拉力就是小车所受的合外力。另外小车是否做匀速运动，可以通过打在纸带上点的分布作出判断，比肉眼看更方便可靠。所以选项ABC错误，选项D正确。（2）只有在加速度足够小时，即钩码的质量远小于小车的质量时，细绳中拉力的大小才近似等于钩码的重力，所以应选10 g的钩码。（3）因为打点周期为T，相邻2个计数点间还有4个点未画，所以3到5计数点间的时间间隔为10T，打计数点4时的速度为，在打计数点0到4的过程中小车的动能增量为。（4）由于钩码做加速运动，所以细绳对小车的拉力小于钩码的重力mg，用mgx来表示合外力对小车做的功比真实值大。如果平衡摩擦力时倾角不够，则小车所受到的合外力比mg小，所以用mgx来表示合外力对小车做的功也会比真实值偏大。5如图甲所示，是某同学验证动能定理的实验装置。其步骤如下：a易拉罐内盛上适量细砂，用轻绳通过滑轮连接在小车上，小车连接纸带。合理调整木板倾角，让小车沿木板匀速下滑；b取下轻绳和易拉罐，测出易拉罐和细砂的质量m及小车质量M；c取下轻绳和易拉罐后，换一条纸带，让小车由静止释放，打出的纸带如图乙所示(中间部分未画出)，O为打下的第一点。已知打点计时器的打点频率为f，重力加速度为g。(1)步骤c中小车所受的合力为_。(2)为验证从OC过程中小车合力做功与小车动能变化的关系，测出BD间的距离为x0，OC间距离为x1，则C点的速度为_。需要验证的关系式为_(用所测物理量的符号表示)。【参考答案】 (1)mg(2)mgx1【名师解析】(1)由步骤a、b知，Mgsin mg(为木板倾角)，取下轻绳和易拉罐后，小车所受合力F合Mgsin mg。(2)由匀变速直线运动中某点瞬时速度的规律知，vC，由动能定理知，需验证的关系式为mgx1MvC2。6（2017云南昆明适应性检测）某实验小组用如图所示的装置探究动能定理，并测量当地的重力加速度。将小钢球从固定轨道倾斜部分某处由静止释放，经轨道末端水平飞出。落到铺着白纸和复写纸的水平地面上，在白纸上留下点迹。为了使问题简化，小钢球在轨道倾斜部分下滑的距离分别为L、2L、3L、4L，这样在轨道倾斜部分合外力对小钢球做的功就可以分别记为、2、3、4（1）为了探究动能定理，除了测量小钢球离开轨道后的下落高度h和水平位移s外，还需测量_AL、2L、3L、4L的具体数值B轨道与小钢球之间的动摩擦因数C小钢球的质量m（2）请用上述必要的物理量写出探究动能定理的关系式，W=_；（3）为了减小实验误差必须进行多次测量，在L、2L、3L、4L处的每个释放点都要让小钢球重复释放多次，在白纸上留下多个点迹。那么，确定在同一位置释放的小钢球在白纸上的平均落点位置的方法是_。（4）该实验小组利用实验数据得到了如图所示的图像，则图像的横坐标表示_（填“s”或“”），若该图线的斜率为k，则当地的重力加速度g=_（用图中相关的物理量表示）。【参考答案】（1）C（2）（3）用尽可能小的圆圈住所有落点，圆心即为平均落点的位置（4），【名师解析】（1）探究动能定理，涉及到小球动能，根据动能的表达式，需要测量小球的质量m，选项C正确。（2）轨道倾斜部分合外力对小钢球做的功等于小球动能的变化量，小球到达轨道末端时速度等于做平抛运动的初速度v，根据平抛运动规律，s=vt，h=gt2，解得v=s，小球动能Ek=mv2=。所以探究动能定理的关系式，W=。（3）确定在同一位置释放的小钢球在白纸上的平均落点位置的方法是用尽可能小的圆圈住所有落点，圆心即为平均落点的位置。（4）由W=可知图像的横坐标表示，若该图线的斜率为k，则k=，当地的重力加速度g=。7(2018河南洛阳联考)某同学利用如图所示的装置探究功与速度变化的关系。(1)小物块在橡皮筋的作用下弹出，沿光滑水平桌面滑行，之后平抛落至水平地面上，落点记为M1；(2)在钉子上分别套上2条、3条、4条同样的橡皮筋，使每次橡皮筋拉伸的长度都保持一致，重复步骤(1)，小物块落点分别记为M2、M3、M4。(3)测量相关数据，进行数据处理。为求出小物块从桌面抛出时的动能，需要测量下列物理量中的_(填正确答案标号，g已知)。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将几次实验中橡皮筋对小物块做功分别记为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、_为横坐标作图，才能得到一条直线。如果小物块与桌面之间的摩擦不能忽略，则由此引起的误差属于_(填“偶然误差”或“系统误差”)。【参考答案】ADEL2系统误差【名师解析】为求出小物块从桌面抛出时的动能，也就是抛出时的速度与质量，那么要测出质量m，而速度是通过平抛测出，平抛需要知道下落时间即下落高度及水平距离，那么需要测量的物理量为A、D、E。由于下落时间总是一定的，则速度正比于水平距离L，动能则正比于L2，那么横坐标的动能就可以用L2来反映。小物块与桌面之间的摩擦不能忽略，则由此引起的误差总是使物体得到的动能偏小，因此是系统误差。8(2016湖南四市联考)(7分)如图是某小组验证动能定理的实验装置，在滑块上安装一遮光条与拉力传感器，把滑块放在水平气垫导轨上，通过定滑轮的细绳与钩码相连，光电门安装在B处。测得滑块(含遮光条和拉力传感器)质量为M、钩码的总质量为m、遮光条的宽度为d，当地的重力加速度为g。当气垫导轨充气后，将滑块在图示A位置由静止释放后，拉力传感器记录的读数为F，光电门记录的时间为t。(1)实验中是否要求钩码总质量m远小于滑块质量M？_(填“是”或“否”)；(2)测得AB之间的距离为L，则对滑块验证动能定理的表达式为_(用以上对应物理量的符号表示)；(3)为减少实验误差，可采取的方法是()A增大AB之间的距离 B减少钩码的总质量C增大滑块的质量 D减少遮光条的宽度【参考答案】(1)否(2)FLM()2(3)AD【名师解析】(1)拉力是直接通过传感器测量的与小车质量和钩码质量大小无关，故不需要钩码总质量m远小于滑块质量M；(2)由于遮光条的宽度很小，通过光电门的时间也很短，故遮光条通过光电门的平均速度可以表示瞬时速度，则通过B点的速度为v，拉力做功为：WFL，动能的增加量为EkM()2，故本实验中验证动能定理的表达式为FLM()2；(3)由公式可知，实验误差来自长度的测量和速度的测量，为减小误差可以让AB之间的距离L增大或减小遮光片的长度，故A、D正确。9.在“探究恒力做功与动能改变的关系”实验中(装置如图甲所示)： (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)。【参考答案】(1)C(2)0.653【名师解析】(1)平衡摩擦力是让小车重力的下滑分力与摩擦力平衡，故不能挂钩码平衡摩擦力，A错误；本实验中，近似认为小车所受拉力等于钩码的重力，因此应使钩码的质量远小于小车的质量，B错误；实验时，为充分利用纸带，应使小车靠近打点计时器由静止释放，C正确。(2)vB m/s0.653 m/s10（多选）用如图所示的装置做“探究动能定理”的实验时，下列说法正确的是()A为了平衡摩擦力，实验中可以将长木板的左端适当垫高，使小车拉着穿过打点计时器的纸带自由下滑时能保持匀速运动B每次实验中橡皮筋的规格要相同，拉伸的长度要一样C可以通过改变橡皮筋的条数来改变拉力做功的数值D通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的平均速度【参考答案】ABC【名师解析】当小车拉着穿过打点计时器的纸带做匀速运动时，沿长木板方向的重力的分力大小等于摩擦力，即在实验中可消除摩擦力的影响，A正确；由实验原理可知，每次实验橡皮筋的规格要相同，拉伸的长度要一样，B正确，实验是通过改变橡皮筋的条数来改变拉力做功的，C正确；橡皮筋拉力做的总功等于小车动能的增加，此动能应为小车获得的最大动能，所以用打点计时器打下的纸带测定的是小车的最大速度，D错误。11(2016武汉模拟)某同学利用如图所示的装置“探究功与速度变化的关系”：在木块的左端固定一挡板，挡板上栓一轻质弹簧，弹簧的右端固定一小物块，物块的上方有一很窄的遮光片，当弹簧的长度为原长时，物块恰处于O点，O点的正上方有一光电门，光电门上连接计时器(图中未画出)。已知弹性势能的表达式为Epk(x)2。(1)实验开始时，_平衡摩擦力；_测量遮光片的宽度。(均填“需要”或“不需要”)(2)所有实验条件具备后，将小物块向左压缩x后从静止释放，小物块在弹簧的作用下被弹出，记下遮光片通过光电门的时间t1。(3)将小物块向左压缩2x、3x、4x、后从静止释放，小物块在弹簧的作用下被弹出，分别记下遮光片通过光电门的时间t2、t3、t4、。(4)将几次实验中弹簧对小物块做的功分别记为W1、W2、W3、，则W1W2W3_，若以W为纵坐标、 为横坐标作图，则得到的图象是_(填“一条直线”或“一条曲线”)。【参考答案】(1)需要不需要(4)149一条直线【名师解析】(1)由于该实验要求弹簧弹力做功，所以不能有摩擦力做功，所以需要平衡摩擦力。光电门测速度的原理是用平均速度来代替瞬时速度v，小物块在弹簧的作用下被弹出，记下遮光片通过光电门的时间t，小物块的速度v，根据功能关系可以求出需要验证的关系式可知：Wmv2m，若以W为纵坐标、为横坐标作图，则得到的图象是一条倾斜直线，即可得到合力功与速度变化的关系，所以不需要测量遮光片的宽度。(4)已知弹性势能的表达式为Epk(x)2。所以几次实验中弹簧对小物块做的功分别记为W1、W2、W3、，则W1W2W3149，若以W为纵坐标、为横坐标作图，则得到的图象是一条直线。12如图甲所示，某组同学借用“探究a与F、m之间的定量关系”的相关实验思想、原理及操作，进行“研究合力做功和动能变化的关系”的实验：图甲(1)为达到平衡阻力的目的，取下细绳及托盘，通过调整垫片的位置，改变长木板倾斜程度，根据打出的纸带判断小车是否做_运动。(2)连接细绳及托盘，放入砝码，通过实验得到如图乙所示的纸带。纸带上O为小车运动起始时刻所打的点，选取时间间隔为0.1 s的相邻计数点A、B、C、D、E、F、G。实验时小车所受拉力为0.2 N，小车的质量为 0.2 kg。乙请计算小车所受合力做的功W和小车动能的变化Ek，补填表中空格(结果保留至小数点后第四位)。OBOCODOEOFW/J0.043 20.057 20.073 40.091 5Ek/J0.043 00.057 00.073 40.090 7分析上述数据可知：在实验误差允许的范围内W Ek，与理论推导结果一致。(3)实验前已测得托盘质量为7.7103 kg，实验时该组同学放入托盘中的砝码质量应为_kg(g取9.8 m/s2，结果保留至小数点后第三位)。【参考答案】(1)匀速直线(或匀速)(2)0.111 50.110 5(3)0.015【名师解析】(1)实验中，首先平衡摩擦力，改变长木板的倾角，轻推小车，小车沿长木板向下做匀速直线运动。(2)打下F点时，小车的位移大小为O、F间的距离，即0.557 5 m，细绳对小车的拉力为0.2 N，则拉力做功为0.111 5 J，小车的瞬时速度为 m/s1.051 m/s，动能增量为0.110 5 J。(3)由纸带数据求得：AD21.20 cm，DG30.07 cm，小车、托盘和砝码组成的整体运动的加速度大小为a m/s20.985 6 m/s2，小车受到的拉力为F0.2 N，设托盘和砝码的总质量为m，由牛顿第二定律得mgFma，得m2.269102kg，托盘中砝码质量为0.015 kg。13某同学在实验室用如图甲所示的装置来研究有关做功的问题。(1)如图甲所示，在保持M7m条件下，可以认为绳对小车的拉力近似等于砂和砂桶的总重力，在控制小车质量不变的情况下进行实验。在实验中，该同学先接通打点计时器的电源，再放开纸带，已知交流电的频率为50 Hz。图乙是在m100 g、M1 kg情况下打出的一条纸带，O为起点，A、B、C为过程中3个相邻的计数点，相邻的计数点之间有4个没有标出，有关数据如图乙所示，则打B点时小车的动能Ek_ J，从开始运动到打B点时，绳的拉力对小车做的功W_ J。(保留2位有效数字，g取9.8 m/s2)(2)在第(1)问中，绳的拉力对小车做的功W大于小车获得的动能Ek，请你举出导致这一结果的主要原因：_。(写出一种即可)【参考答案】(1)0.500.51(2)摩擦没有完全抵消；砂与砂桶的重力大于绳的拉力(写出一种即可)【名师解析】(1)小车拖动纸带做匀加速直线运动，B为AC的中间时刻，由匀变速直线运动的规律可得vBvAC，其中xACOCOA19.95 cm，T50.02 s0.1 s，代入可求得vB0.997 5 m/s，所以在B点小车的动能EkMv0.50 J。绳的拉力近似等于砂和砂桶的总重力，所以绳的拉力对小车做的功WmgxOB0.51 J。(2)若摩擦力没有完全抵消，小车所受合力的功还应包含摩擦力做的负功，故拉力所做的功大于动能的增量；若砂与砂桶的重力不满足“远小于小车的重力”的条件，则砂和砂桶的重力大于绳的拉力，若把砂和砂桶的重力近似为拉力，导致拉力做的功大于动能增量。14(2016濮阳模拟)质量为1 kg的重物自由下落，通过打点计时器在纸带上记录下运动的过程，打点计时器所接电源为6 V、50 Hz的交流电源。如图甲所示，纸带上O点为重物自由下落时打点的起点，选取的计数点A、B、C、D、E、F、G依次间隔一个点(图中未画出)，各计数点与O点的距离依次为31.4、70.6、125.4、195.9、282.1、383.8、501.2，单位为mm，重力加速度为9.8 m/s2，则