7.6实验：探究功与速度变化的关系（解析版）-2019-2020学年高一物理课时同步检测(人教版必修2)

第七章 机械能守恒定律第6节 实验：探究功与速度变化的关系(时间：45分钟满分：100分)一、选择题(本题共20小题，每小题4分，共80分有的小题只有一个选项正确，有的小题有多个选项正确，把正确选项前的字母填在题后的括号内)1（6分）在探究功与速度变化的关系的实验中，某实验研究小组的实验装置如图甲所示木块从A点静止释放后，在一根弹簧作用下弹出，沿足够长的木板运动到B1点停下，记录此过程中弹簧对木块做的功为W1O点为弹簧原长时所处的位置，测得OB1的距离为L1再用完全相同的2根、3根弹簧并在一起进行第2次、第3次实验并记录2W1，3W1及相应的L2、L3数据，用WL图象处理数据，回答下列问题：（1）如图乙是根据实验数据描绘的WL图象，图线不过原点的原因是_；（2）由图线得木块从A到O过程中摩擦力做的功是W1=_；（3）WL图象斜率的物理意义是_【答案】未计算AO间的摩擦力做功 摩擦力 【解析】【分析】木块在平衡位置处获得最大速度，之后与弹簧分离，在摩擦力作用下运动到B位置停下，由O到B根据动能定理：-fL=0-mv02，故Lv02；对全过程应用动能定理有：W-fLOA-fL=0即W=fL+fLOA结合数学解析式判断图象中斜率为摩擦力大小、截距等于OA段摩擦力做的功【详解】（1）根据动能定理全过程的表达式，所以W-L图线不通过原点，是因为未计木块通过AO段时，摩擦力对木块所做的功（2）图中W轴上截距等于摩擦力做的功：J；（3）有前面分析知图象中斜率为摩擦力大小；【点睛】本题考查了创新方法探究功与速度的关系，关键是列出两个动能定理方程然后结合数学函数进行分析出截距与斜率的物理意义2（12分）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，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，正确的操作方法是_（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。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、，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为mg。从打O点到打B点的过程中，拉力对小车做的功_，打B点时小车的速度_；(4)以为纵坐标，W为横坐标，利用实验数据作出如图所示的图象。由此图象可得v随W变化的表达式为_。【答案】B A B 【解析】【分析】【详解】(1)1打点计时器均使用交流电源，B对。(2)23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，A对；平衡摩擦力时需要让打点计时器工作，纸带跟打点计时器限位孔间会有摩擦力，且可以通过纸带上打出的点迹判断小车的运动是否为匀速直线运动，B对。(3)45小车拖动纸带移动的距离等于重物下落的距离，又小车所受拉力约等于重物重力，因此小车做匀变速直线运动，因此打B点时小车的速度为打AC段的平均速度，则(4)6由题图可知，图线斜率即3（4分）“功和速度变化关系”的实验中，张同学用如图所示装置，尝试通过测得细绳拉力（近似等于悬挂物的重力）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)某次获得的纸带如图所示，张同学根据点迹标上了计数点，已知电源频率为50Hz，请根据计数点在刻度尺上的读数求出C点的速度为_（计算结果保留3位有效数字）。【答案】ABC 0.613 【解析】【分析】【详解】(1)1A细绳对小车的拉力充当合外力，故需要平衡摩擦力，选项A正确。B认为重物的重力等于细绳的拉力，需要重物的质量远小于小车的质量，选项B正确。C若细绳与木板不平行，则影响压力，那么平衡摩擦力就没有意义了，选项C正确。D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。故选ABC。(2)2由图示刻度尺可知，其分度值为1mm，BD间距为9.80cm；做匀变速直线运动的物体在某段时间内的平均速度等于该段时间中间时刻的瞬时速度，时间间隔，则C点的速度4（9分）某同学为探究“合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：(1)按图摆好实验装置，其中小车质量M0.20 kg，钩码总质量m0.05 kg. (2)释放小车，然后接通打点计时器的电源(电源频率为f50 Hz)，打出一条纸带 (3)他在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条，如图所示把打下的第一点记作0，然后依次取若干个计数点，相邻计数点间还有4个点未画出，用厘米刻度尺测得各计数点到0点距离分别为d10.041m，d20.055m，d30.167m，d40.256m，d50.360m，d60.480m，他把钩码重力(当地重力加速度g10 m/s2)作为小车所受合力，算出打下0点到打下第5点合力做功W_J(结果保留三位有效数字)，用正确的公式Ek_(用相关数据前字母列式)把打下第5点时小车的动能作为小车动能的改变量，算得Ek0.125 J. (4)此次实验探究的结果，他没能得到“合力对物体做的功等于物体动能的增量”，且误差很大通过反思，他认为产生误差的原因如下，其中正确的是_（双项选择题）A钩码质量太大，使得合力对物体做功的测量值比真实值偏大太多B没有平衡摩擦力，使得合力对物体做功的测量值比真实值偏大太多C释放小车和接通电源的次序有误，使得动能增量的测量值比真实值偏小D没有使用最小刻度为毫米的刻度尺测距离也是产生此误差的重要原因【答案】0.180 AB 【解析】【详解】（1）根据题意物体所受合外力为：F=mg=0.0510=0.50N，根据功的定义可知：W=Fs=mgh=0.180J；根据匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度可以求出第5个点的速度大小为： （其中t=5T=）动能公式为：（2）A设绳子上拉力为F，对小车根据牛顿第二定律有：对小车：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，因此当钩码质量太大时，会造成较大误差，故A正确；实验中要进行平衡摩擦力操作，若没有平衡摩擦力直接将钩码重力做的功当做小车合外力做的功，会造成较大误差，故B正确；释放小车和接通电源得次序有误是偶然误差，不是该实验得主要误差，距离的测量产生的误差是偶然误差，不是该实验产生的主要误差，故D错误故选AB5（8分）某学习小组做“探究功与速度变化的关系”的实验如图所示，图中小车在一条橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行，该过程中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_（选填“交流”或“直流”）电源。(2)实验中，小车会受到摩擦阻力的作用，可以使木板适当倾斜来平衡摩擦阻力，则下面操作正确的是（_）A放开小车，能够自由下滑即可B放开小车，能够匀速下滑即可C放开拖着纸带的小车，能够自由下滑即可D放开拖着纸带的小车，能够匀速下滑即可(3)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(4)在正确操作情况下，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）。【答案】交流 D B GJ 【解析】【分析】【详解】(1)1打点计时器使用的是交流电源；(2)2平衡摩擦力时，应将纸带穿过打点计时器，放开拖着纸带的小车，小车能够匀速下滑即可，故D正确；(3)3放开小车后，小车做加速运动，当橡皮筋的拉力大小等于摩擦力大小时，小车的速度最大，此时橡皮筋仍处于伸长状态，此时小车还没到两个铁钉的连线处，故B正确，ACD错误；故选B。(4)4从纸带上看，纸带的GJ段打点比较均匀，小车做匀速运动，所以应选用纸带的GJ段进行测量。6（8分）某同学做探究合力做功与物体速度变化量的关系的实验装置如图所示，小车在橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行用1条橡皮筋时弹力对小车做的功记为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实验中小车获得的速度由打点计时器所打的纸带测出回答下列问题：(1)本实验中，要调节小木块a的位置，目的是_(2)用完全相同的橡皮筋的目的是_，每次实验_(填必须或不必)计算出橡皮筋对小车做功的具体数值(3)为了测量小车获得的速度，应选用纸带上所打的点间距_(填相等或不相等)的一段【答案】使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦力平衡 便于表示合外力做的功 不必 相等 【解析】【详解】（1）要调节小木块a的位置，目的是使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦力平衡，即为了平衡摩擦力，使得橡皮筋的拉力即为小车受到的合外力（2）用完全相同的橡皮筋的目的是便于表示合外力做的功，这样合外力做的功就可以表示成W、2W、3W、所以不需要计算出橡皮筋对小车做功的具体数值（3）选用纸带上所打的点间距 相等的点来验证小车最后获得的动能，然后验证功与动能之间的关系故本题答案是：(1). 使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦力平衡 (2). 便于表示合外力做的功 ； 不必 (3). 相等【点睛】为了找到合外力做功与动能增加之间的关系，所以在做此实验时要注意平衡摩擦力，利用增加橡皮筋的条数来达到做功按倍数增加这样一个效果，所以没必要具体求出橡皮筋做功的多少，即可验证动能定理7（8分）某兴趣小组用如图所示的装置验证动能定理。(1)有两种工作频率均为50Hz的打点计时器供实验选用：A电磁打点计时器B电火花打点计时器为使纸带在运动时受到的阻力较小，应选择_（选填“A”或“B”）；(2)保持长木板水平，将纸带固定在小车后端，纸带穿过打点计时器的限位孔。实验中，为消除摩擦力的影响，在砝码盘中慢慢加入沙子，直到小车开始运动。同学甲认为此时摩擦力的影响已得到消除。同学乙认为还应从盘中取出适量沙子，直至轻推小车观察到小车做匀速运动。看法正确的同学是_（选填“甲”或“乙”）；(3)消除摩擦力的影响后，在砝码盘中加入砝码。接通打点计时器电源，松开小车，小车运动。纸带被打出一系列点，其中的一段如图所示。若测得BC两点之间的距离为1.24cm，则纸带上A点的速度_；(4)测出小车的质量为M，再测出纸带上起点到A点的距离为L。小车动能的变化量可用算出。砝码盘中砝码的质量为m，重力加速度为g。实验中，小车的质量应_（选填“远大于”“远小于”或“接近”）砝码、砝码盘和沙子的总质量，小车所受合力做的功可用算出。多次测量，若W与均基本相等则验证了动能定理。【答案】B 乙 0.31 远大于 【解析】【分析】【详解】(1)1为使纸带在运动时受到的阻力较小，应选电火花打点计时器；(2)2当小车开始运动时，小车与木板间的摩擦为最大静摩擦力，由于最大静摩擦力大于滑动摩擦力，所以甲同学的看法错误，乙同学的看法正确；(3)3BC两点之间的时间间隔为0.04s，所以速度为(4)4对小车由牛顿第二定律有对砝码盘由牛顿第二定律有联立解得当时有所以应满足8（10分）某学习小组的同学想要探究恒力做功与动能变化的关系，实验装置如图甲所示，请回答下列问题：（1）实验时为保证小车受到的拉力大小与沙和小桶的总重力大小近似相等，沙和小桶的总质量_（选填“远大于”“远小于”或“等于”）小车质量（2）实验时为保证小车受到的细线拉力等于小车所受的合外力，实验中需要进行的操作是_（3）实验时释放小车让小桶带着小车加速运动，用打点计时器（打相邻两个点的时间间隔为）记录其运动情况，如图乙纸带所示，纸带上开始的一些点较模糊未画出，图乙中每两点间还有4个点也未画出，现测得点到点间的长为，点到点间的长为，则点的速度大小为_；若取点的速度为，点的速度为，那么本实验最终要验证的表达式为_（4）根据正确操作得到的实验数据作出图像，则下列选项符合实际的是_ABCD【答案】远小于 平衡摩擦力 B 【解析】【详解】（1）1根据牛顿第二定律，对小桶和沙向下加速过程有对小车有解得当时故填“远小于”。（2）2小车下滑时受到重力、细线拉力、支持力和摩擦力，要使拉力等于合力，应平衡摩擦力。（3）3题图乙中相邻两点间的时间间隔为，故点速度大小为；4根据动能定理，实验最终要验证的表达式为。（4）5由动能定理有，即与成二次函数关系，选项B正确。9（8分）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，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(3)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(4)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在纸带上依次去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为mg，从打O点打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=_(5)以v2为纵坐标，W为横坐标，利用实验数据作如图所示的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_(6)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，图中正确反映v2W关系的是_A B C D【答案】B A B mgx2 质量 A 【解析】【详解】(1)1打点计时器均使用交流电源；A.直流电源与分析不符，故A错误；B.交流电源与分析相符，故B正确；(2)2平衡摩擦和其他阻力，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；A.与分析相符，故A正确；B.与分析不符，故B错误；(3)3平衡摩擦力时需要让打点计时器工作，纸带跟打点计时器限位孔间会有摩擦力，且可以通过纸带上打出的点迹判断小车的运动是否为匀速直线运动；A.与分析不符，故A错误；B.与分析相符，故B正确；(4)4小车拖动纸带移动的距离等于重物下落的距离，又小车所受拉力约等于重物重力，因此拉力对小车做的功：5小车做匀变速直线运动，因此打B点时小车的速度为打AC段的平均速度，则有：(5)6 由图示图线可知：纵截距为：则随变化的表达式为：7功是能量转化的量度，所以功和能的单位是相同的，斜率设为，则代入单位后，的单位为，所以与该斜率有关的物理量为质量；(6)8 若重物质量不满足远小于小车质量，则绳子对小车的拉力实际不等于重物的重力，由和可得：由动能定理得：而：则实际图线的斜率：，重物质量与小车质量不变，速度虽然增大，但斜率不变；A.与分析相符，故A正确；B.与分析不符，故B错误；C.与分析不符，故C正确；B.与分析不符，故D错误【名师点睛】实验总存在一定的误差，数据处理过程中，图象读数一样存在误差，因此所写函数表达式的比例系数在一定范围内即可；第（6）问有一定的迷惑性，应明确写出函数关系，再进行判断10（6分）某探究小组利用气垫导轨和光电门计时器等装置探究动能定理.他们通过改变滑轮下端小盘中沙子的质量来改变滑块水平方向的拉力;滑块上装有宽为d的挡光片.实验中,用天平称出小盘和沙子的总质量为m,滑块(带挡光片)的质量为M,计时器显示挡光片经过光电门1和2的时间分别为t1,t2.(1)在满足_的条件下,才可以认为小盘和沙子的总重力所做的功等于绳的拉力对滑块做的功.(2)实验中还必须测量的物理量是_,试写出本次需要探究的关系式_(用测量量和已知量表示).【答案】（1）mM （2）两光电门之间的距离L mgL=M（）2-M（）2 【解析】【详解】（1）1根据实验原理可知当小盘和沙子的总质量m远小于滑块车的总质量M时，可将才可以认为小盘和沙子的重力看作滑块的拉力，根据动能定理可知，此时小盘和沙子的重力所做的功等于滑块动能的改变量（2）23要测量滑块受到的拉力做的功，必须要知道滑块从光电门1运动到光电门2的距离，即还必须测量两光电门之间的距离L滑块所受的合外力做功为W=mgL；由于光电门的宽度d很小，所以我们用很短时间内的平均速度代替瞬时速度滑块通过光电门1速度v1=；滑块通过光电门2速度v2=；所以动能的增量EkMv22Mv12= M（）2-M（）2 ；故本次探究的原理表达式为mgL=M（）2-M（）2 .【点睛】考查实验，首先要找到实验原理，我们就可以根据实验原理找需要的实验仪器，找实验时需要注意的问题，列式求解一些需要的物理量实验中我们还要清楚研究对象和研究过程，要学会对实验误差的分析11（12分）为了探究“合力做功与速度变化的关系”，某学习小组在实验室组装了如图所示的装置，备有下列器材：打点计时器所用的学生电源、导线、复写纸、天平、细沙他们称量滑块的质量为M、沙和小桶的总质量为m.当滑块连接上纸带，让细线跨过滑轮并悬挂空的小桶时，滑块处于静止状态要完成该实验，请回答下列问题：(1)要完成本实验，还缺少的实验器材是_(2)实验时为保证滑块受到的合力与沙、小桶的总重力大小基本相等，沙和小桶的总质量应满足的实验条件是_，实验时为保证细线拉力等于滑块所受的合外力，首先要做的步骤是_(3)在满足(2)问的条件下，让小桶带动滑块加速运动，如图所示为打点计时器所打的纸带的一部分，图中A，B，C，D，E是按时间先后顺序确定的计数点，相邻计数点间的时间间隔为T，相邻计数点间的距离标注在图上，当地重力加速度为g，则在B，D两点间对滑块研究，合力对滑块做的功为_，vB_，vD_(用题中所给的表示数据的字母表示)【答案】刻度尺； 沙和小桶的总质量远小于滑块的质量， 平衡摩擦力； mg(x2x3)， ， 【解析】【详解】（1）1根据题意本实验需要测量滑块的位移，所以还缺少的器材是刻度尺（2）23根据牛顿第二定律可知当沙和沙桶的总质量远小于滑块的质量时，绳子拉力才近似等于沙和沙桶的重力，所以沙和沙桶应满足的实验条件是沙和沙桶的总质量远小于滑块的质量，由受力分析可知，为保证细线拉力为木块的合外力，首先要做的是平衡摩擦力（3）456合力对滑块做的功为vBv