高考物理一轮复习教科教师用书：第五章-机械能和能源-实验五-含解析-精品

1、实验五实验五探究动能定理探究动能定理考前须知1.平衡摩擦力。由于我们用绳的拉力确定对小车做的功，因此应设法排除其他力的影响，实际操作中是采用把木板的一端垫高，用小车重力的分力和阻力平衡的方法来消除阻力的影响。2.尽量减小小车的加速度。因为砝码和小盘拉着小车加速运动时，砝码和小盘处于失重状态，小车受到的拉力小于砝码和小盘的总重力。为减小这一系统误差，应使小车的加速度尽量小， 也就是实验中必须满足砝码和小盘的总质量远小于小车的质量。误差分析1.实验中我们把拉力对小车做的功与砝码和小盘总重力所做的功认为是一样的，但实际上二者并不相同，这是因为砝码和小盘的总重力与绳的拉力是不一样的。2.在 mM 时，

2、细绳的拉力近似等于砝码和小盘的总重力，误差较小；m 越大，误差越大。因此实验中应使小车的质量远大于砝码和小盘的总质量。热点一教材原型实验【例 1】(2021江苏单科，10)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 M200.0 g，钩码的质量为 m10.0 g，打点计时器的电源为 50 Hz 的交流电。图 1(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x， 记录在纸带上。计算打出

3、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。图 2(3)将钩码的重力视为小车受到的拉力，取 g9.80 m/s2，利用 Wmgx 算出拉力对小车做的功 W。利用 Ek12Mv2算出小车动能，并求出动能的变化量Ek。计算结果见下表。W/103J2.452.923.353.814.26Ek/103J2.312.733.123.614.00请根据表中的数据，在方格纸上作出EkW 图像。(4)实验结果说明，Ek总是略小于 W。某同学猜测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。解析(1)该实验能平衡小车所受摩擦力的标志

4、是在斜面上轻推小车，小车能做匀速直线运动。(2)由题意可知，两相邻计数点间的时间 T50.02 s0.1 s，在匀变速直线运动中，一段时间的中间时刻的瞬时速度等于平均速度，那么 v1x1x22T2.062.5020.1102m/s0.228 m/s。(3)根据表中的数据，在方格纸上描点、连线如下图。(4)对小车受力分析，由牛顿第二定律得，FMa，同理对钩码有 mgFma，联立解得 FMMmmg0.093 N。答案(1)小车做匀速运动(2)0.228(3)见解析(4)0.093【变式训练 1】(2021北京理综，21)如图 3 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

5、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。图 3(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。假设小车拖着纸带做匀速运动，说明已经消除了摩擦力和其它阻力的影响。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假设干个计数点，相邻计数点间的时间间隔为 T，测得 A、B、C各

6、点到 O 点的距离为 x1、x2、x3，如图 4 所示。图 4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 5 所示的 v2W 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_。图 5(5)假设已经完全消除了摩擦力和其它阻力的影响，假设重物质量不满足远小于小车质量的条件，那么从理论上分析，以下图中正确反映 v2W 关系的是

7、_。解析(1)打点计时器使用交流电源。(2)平衡摩擦力的方法为将木板一端垫高，使得重力沿木板方向的分力与所有阻力(包括打点过程中的阻力)平衡，使小车做匀速直线运动；判断小车做匀速直线运动是根据纸带上相邻点间的距离相等判定，故需计时器打点。(3)拉力大小为 mg，O 到 B 位移为 x2，根据功的公式 WFx，得 W2mgx2。由于小车做匀加速直线运动，B 点为 AC 时间中点，AC 段平均速度等于 B 点瞬时速度，即 vx3x12T。(4)由 v2W 图像为直线得，v2kWb，从图中读出 b0.01，在图中直线上任取两个相距较远的点，可得 k4.8，所以 v24.8W0.01。由等式两端的物理

8、量单位可知， 左侧单位 m2s2， 右侧 W 单位为 J。 所以 k 的单位为m2s2Jm2s2kgm2s21kg，所以与斜率有关的物理量是质量。(5)该实验与教材实验不同，不是使用不同数量的橡皮筋，每次测量一个速度，而是重物质量确定，一次实验中取不同位置的点，测量多个速度。设小车质量为M，以重物与小车整体为研究对象，那么 amgmM，设小车滑行 x 时速度为 v，那么 v202ax。 可得 v22mMmgx。 实验中认为 Wmgx， 所以 v22mMW，m 与 M 为定值，应选项 A 正确。答案(1)B(2)AB(3)mgx2x3x12T(4)v24.8W0.01质量(5)A热点二实验拓展创

9、新1.装置的改良及时代化2.求解智能化(1)摩擦阻力问题：靠小车重力的下滑分力平衡摩擦力自由下落阻力减少气垫导轨减少摩擦力。(2)速度的测量方法：匀速运动速度测量纸带上各点速度光电门 vdt速度传感器直接显示速度大小。【例 2】为了“探究动能改变与合外力做功的关系，某同学设计了如下实验方案：第一步：把带有定滑轮的木板有滑轮的一端垫起，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，重锤下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 6 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

10、，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。图 6请答复以下问题：(1)O、A、B、C、D、E、F 相邻计数点间的时间间隔为t，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)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 v

11、2为纵轴、W 为横轴建立直角坐标系，描点作出v2W 图像，可知该图像是一条_，根据图像还可求得_。解析(1)由打出的纸带可知 B 点的速度为 vBx3x12t。(2)由做功定义式可知还需要知道滑块下滑的位移 x，由动能定理可知 W合Ek，即 mgxEk。(3)v2W 图像应该为一条过原点的倾斜直线，根据Ek12Mv2可求得 M 的值。答案(1)x3x12t(2)下滑的位移 xmgx(3)过原点的倾斜直线滑块的质量 M【变式训练 2】(2021陕西师范大学附属中学高三上学期月考)某同学利用如图7 甲所示的实验装置验证动能定理。水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨，导轨上A 点处有一带长方形遮光片的滑块

12、，其总质量为 M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一装有适量细沙的易拉罐相连，易拉罐和里面的细沙总质量为 m。遮光片两条长边与导轨垂直，导轨上 B 点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间 t，d 表示遮光片的宽度，L 表示 A、B 两点间的距离。滑块与导轨间没有摩擦力，用 g 表示重力加速度。图 7(1)该同学首先用游标卡尺测量了遮光片的宽度，如图乙所示，遮光片的宽度 d_ cm。(2)该同学首先调整导轨倾角，让滑块恰好在 A 点静止。剪断细绳后，滑块开始加速下滑，那么滑块受到的合外力的大小为_。(3)为验证从 A 到 B 的过程中滑块所受合外力做功与滑块动能变化的关系，需要验证的

13、关系式为_(用题目中所给的物理量符号表示)。解析(1)宽度 d(110.4)mm11.4 mm1.14 cm。(2)由于滑块在 A 点静止，因此滑块所受重力沿斜面向下的分力等于易拉罐及细沙所受的总重力 mg，又由于斜面与滑块间无摩擦，因此滑块下滑时，受到的合外力的大小等于 mg。(3)设滑块到达 B 点的速度为 v，那么本实验应该验证 mgL12Mv2，而 vdt，代入可得 mgL12Mdt2。答案(1)1.14(2)mg(3)mgL12Mdt21.某学习小组在“探究功与速度变化的关系的实验中采用了如图 8 所示的实验装置。图 8(1)将气垫导轨接通气泵，通过调平螺丝调整气垫导轨使之水平，检查

14、是否调平的方法是_。(2)如图 9 示，游标卡尺测得遮光条的宽度d_cm。实验时，将橡皮条挂在滑块的挂钩上，向后拉伸一定的距离，并做好标记，以保证每次拉伸的距离恒定。现测得挂一根橡皮条时，滑块弹离橡皮条后，经过光电门的时间为t，那么滑块最后匀速运动的速度表达式为_(用字母表示)。图 9(3)逐根增加橡皮条，记录每次遮光条经过光电门的时间，并计算出对应的速度。那么画出的 Wv2图像应是_。解析(1)检查导轨是否水平的方法： 将滑块轻放在气垫导轨上， 看其是否滑动(或将滑块轻放在气垫导轨上，轻推滑块看是否匀速运动)。(2)d5 mm0.05 mm105.50 mm0.550 cm滑块匀速运动的速度

15、 vdt。(3)由动能定理可知，W12mv2， 故画出的 Wv2图像应是过坐标原点的一条倾斜直线。答案(1)将滑块轻置于气垫导轨之上，看其是否滑动；或将滑块轻置于气垫导轨之上，轻推滑块看是否匀速运动(其他方法正确均可)(2)0.550dt(3)过坐标原点的一条倾斜直线2.(2021温州模拟)如图 10 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)图 10 中电火花计时器的工作电压是_V 的交流电。(2)实验室提供的器材如

16、下：长木板、小车、橡皮筋、电火花计时器、纸带、电源等，还缺少的测量工具是_。(3)图 10 中小车上有一固定小立柱，如图 11 中给出了 4 种橡皮筋与小立柱的套接方式，为减小实验误差，你认为最合理的套接方式是_。(4)在正确操作的情况下，某次实验所打的纸带如图 12 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_局部进行测量(根据纸带中字母答复)，小车获得的速度是_m/s。(结果保存 2 位有效数字)图 12解析(1)电火花计时器的工作电压是 220 V 的交流电。(2)处理实验数据时需要测量两计数点间的距离，因此还需要的器材是刻度尺。(3)橡皮筋最合

17、理的套接方式是 A，以 A 的方式套接释放小车后，橡皮筋不会影响小车的运动。(4)由图 12 的纸带可知，GJ 局部每两点间的距离相等，小车做匀速直线运动，因此应选用纸带的 GJ 局部；小车获得的速度 vxt0.0 1300.02m/s0.65 m/s。答案(1)220(2)刻度尺(3)A(4)GJ0.653.某校物理兴趣小组利用如图 13 所示装置探究合力做功与动能变化的关系。在滑块上安装一遮光条，系轻细绳处安装一拉力传感器(可显示出轻细绳的拉力)，把滑块放在水平气垫导轨上 A 处，细绳通过定滑轮与钩码相连，光电门安装在 B处。 气垫导轨充气， 将滑块从 A 位置由静止释放后， 拉力传感器记

18、录的读数为 F，光电门记录的时间为t。图 13(1)用螺旋测微器测量遮光条的宽度，如图 14 所示，那么宽度为_mm。图 14(2)屡次改变钩码的质量(拉力传感器记录的读数 F 相应改变)，测得多组 F 和t数据，要得到线性变化图像，假设选定 F 作为纵坐标，那么横坐标代表的物理量为_。A.tB.(t)2C.1tD.(1t)2(3)假设正确选择横坐标所代表的物理量后，得出线性变化图像的斜率为 k，且已经测出 A、B 之间的距离为 s，遮光条的宽度为 d，那么滑块质量(含遮光条和拉力传感器)的表达式为 M_。解析(1)根据螺旋测微器读数规那么，遮光条的宽度 d2.5 mm0.058 mm2.558 mm。(2)根据动能定理得 Fs12Mv2，vdt，联立解得 FMd22s(1t)2，选定 F 作为纵坐标，那么横坐标代表的物理量为(1t)2，选项 D 正确。(3)得出线性变化图像的斜率为 k，由 kMd22s解得 M2ksd2。答案(1)2.558(2)D(3)2ksd24.(2021四川凉山高三第三次诊断改编)某实验小组采用如