2025版高考物理一轮复习第五章实验五探究动能定理教案新人教版

PAGEPAGE13试验五探究动能定理命题点一教材原型试验某试验小组采纳如图甲所示的装置探究功与速度变更的关系．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50Hz.(1)为了消退小车运动过程中所受摩擦力的影响，调整时应将木板________(选填“左”或“右”)端适当垫高以平衡摩擦力．(2)试验中，某同学打出的一段纸带如图乙所示，相邻两计时点距离依次为eq\x\to(AB)＝3.50cm、eq\x\to(BC)＝3.80cm、eq\x\to(CD)＝eq\x\to(DE)＝eq\x\to(EF)＝eq\x\to(FG)＝eq\x\to(GH)＝4.00cm，则匀速运动的速度v＝________m/s.(3)依据多次测量的数据，画出橡皮筋对小车做功W与小车匀速运动的速度v的关系如图丙所示，依据图线形态猜想，W与v的关系可能为________．A．W∝eq\r(v) B．W∝v－1C．W∝v2 D．W∝v3(4)变更橡皮筋的根数，若试验中的全部操作和数据处理均无错误，则绘出的图线(图中Δv2＝v2－0，将一根橡皮筋对小车做的功记为1)应为过原点的一条直线，但依据试验结果得到的图线如图丁所示，造成这一偏差的缘由是________________________．【解析】(1)小车是向右边弹射，平衡摩擦力时应当将左端垫高使重力沿斜面对下的分力与沿斜面对上的摩擦力平衡．(2)由题目给的数据可知小车从C点到H点做匀速运动，则v＝eq\f(\x\to(CH),5T)＝2m/s.(3)图丙中图线的形态与函数y＝xn(n＝2,3,4，…)的图象吻合，故选C、D.(4)从图象纵轴截距可看出合外力不做功时物体仍旧会有速度，这表明平衡摩擦力过度．【答案】(1)左(2)2(3)CD(4)平衡摩擦力过度1．“探究功与速度变更的关系”的试验装置如图所示，当小车在一条橡皮筋作用下弹出时，橡皮筋对小车做的功记为W.当用2条、3条、4条、……完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、第4次、……试验时，橡皮筋对小车做的功记为2W、3W、4W、…，每次试验中小车获得的最大速度可由打点计时器所打出的纸带测出．(1)试验仪器安装时，适当垫高木板一端的目的是平衡摩擦力．(2)每次试验小车必需从同一位置由静止弹出的目的是保证每次每根橡皮筋做功相同且小车的初始状态相同．解析：(1)试验仪器安装时，适当垫高木板一端是为了平衡摩擦力；(2)每次试验从同一位置由静止释放小车，是为了保证每次每根橡皮筋做功相同且小车的初始状态相同．命题点二试验拓展创新1．装置时代化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→自由下落阻力削减→气垫导轨削减摩擦力．(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v＝eq\f(d,Δt)→速度传感器干脆显示速度大小．类型1试验情景创新某探讨小组用如图所示试验器材验证动能定理．他们将两光电门固定在力学轨道上，两光电门之间的距离为l，质量为M的小车与质量为m的回形针通过细线和滑轮相连接(M≫m)，试验中用回形针拉动小车在轨道上运动．如图所示，记录下小车通过两光电门的时间分别为t1和t2，测出挡光片的宽度为d，即可验证恒力做功的动能定理．(1)为了减小试验误差，探讨小组通过选择合适质量的回形针，提高试验精度．探讨小组选取122.9g的小车和不同质量的回形针进行试验，得到如下表所示的试验结果．从表中数据看出，回形针的质量越小，试验误差________．回形针质量与试验误差的关系(2)探讨小组以小车为探讨对象，在试验中不考虑摩擦影响，若能获得等量关系式________________________(用t1、t2、d、M、m、l表示)，即可验证恒力做功的动能定理．(3)为进一步减小试验误差，探讨小组接着削减回形针质量，发觉试验误差反而增大了．你认为产生此现象的缘由是_______________________________________.【解析】本题考查验证动能定理试验．(1)从表中数据可以看到，回形针的质量越小，试验误差越小．(2)小车的速度为eq\f(d,t)，对小车的拉力为mg，故须要验证的关系为mgl＝eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,t2)))2－eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,t1)))2.(3)回形针质量太小，小车的速度太小，轨道摩擦的影响会增大，相对误差较大．【答案】(1)越小(2)mgl＝eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,t2)))2－eq\f(1,2)Meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,t1)))2(3)由于小车的速度太小，轨道摩擦的影响会增大(只要答到“轨道摩擦的影响会增大”即可)类型2试验方案创新某同学利用如图所示的装置探究功与速度变更的关系．(ⅰ)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；(ⅱ)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样，重复步骤(ⅰ)，小物块落点分别记为M2、M3、M4…；(ⅲ)测量相关数据，进行数据处理．(1)为求出小物块抛出时的动能，须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ΔxD．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)将几次试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)由于小物块与桌面之间的摩擦不能忽视，则由此引起的误差属于________(填“偶然误差”或“系统误差”)．【解析】本题考查探究功与速度的关系试验．(1)动能和质量、速度有关，须要测量出小物块的质量和速度．小物块从桌面抛出后做平抛运动，在水平方向上做匀速直线运动，有v0＝eq\f(L,t)，L表示水平方向上的位移，即小物块抛出点到落地点的水平距离，在竖直方向上做自由落体运动，有h＝eq\f(1,2)gt2，故须要测量小物块抛出点到落地点的水平距离与下落的高度，选项ADE正确．(2)依据h＝eq\f(1,2)gt2，v0＝eq\f(L,t)，可得veq\o\al(2,0)＝eq\f(L2,t2)＝eq\f(L2,\f(2h,g))＝eq\f(g,2h)L2，由于功与速度的平方成正比，故功与L2成正比，故应以W为纵坐标、L2为横坐标作图，才能得到一条直线．(3)由于试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，故小物块与桌面之间的摩擦不能忽视，由此引起的误差属于系统误差．【答案】(1)ADE(2)L2(3)系统误差命题点三探究弹性势能与弹簧形变量的关系某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，试验装置如图(a)所示：轻弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打点计时器并与物块连接．向左推物块使弹簧压缩一段距离，由静止释放物块，通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能．(1)试验中涉及下列操作步骤：①把纸带向左拉直②松手释放物块③接通打点计时器电源④向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量上述步骤正确的操作依次是________(填入代表步骤的序号)．(2)图(b)中M和L纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打点结果．打点计时器所用沟通电的频率为50Hz.由M纸带所给的数据，可求出在该纸带对应的试验中物块脱离弹簧时的速度为________m/s.比较两纸带可知，________(填“M”或“L”)纸带对应的试验中弹簧被压缩后的弹性势能大．[审题指导]通过打点计时器打下的纸带可分析物体的运动过程．本题中，从前面几个数据可以看出相等时间内的位移渐渐增大，表明此阶段物块在弹簧弹力作用下加速运动，从后面两个数据可以看出相等时间内的位移几乎不变，表明此阶段物块已经脱离了弹簧，近似做匀速直线运动．【解析】(1)试验步骤中，肯定要留意接通打点计时器电源之后再松手释放物块．若次序搞反，可能造成物块已离开桌面但打点计时器还没有起先工作．(2)从纸带上看，最终两个数据2.58cm、2.57cm相差不大，表示物块已经脱离弹簧，所以速度v＝eq\f(2.58＋2.57,2×0.02)×10－2m/s≈1.29m/s，同理可计算出打下L纸带时物块脱离弹簧的速度要小一些．【答案】(1)④①③②(2)1.29M2．小张同学为探究弹簧弹性势能与形变量的关系，设计了如图甲所示试验装置，在长木板的一端固定一个轻弹簧，弹簧另一端与滑块接触但不相连，弹簧处于原长时，将光电门恰好安装在滑块遮光片静止的位置，在长木板上固定刻度尺，其零刻度与光电门对齐，每次试验时使滑块压缩弹簧到某一位置由静止释放．(1)本试验需平衡摩擦力，操作方法和检验的标准是逐步调整木板的倾斜程度，给滑块一初速度，滑块能匀速下滑．(2)测得滑块的质量为m，滑块上遮光片的宽度为d，光电门测得的遮光时间为t，则滑块刚释放时弹簧的弹性势能Ep＝eq\f(1,2)meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,t)))2.(3)多次试验，每次将弹簧压缩至不同长度，分别读出释放滑块位置的刻度值x和遮光时间t，作出的x­eq\f(1,t)图象如图乙所示，则弹簧的弹性势能与形变量的关系为弹簧弹性势能与形变量的平方成正比．解析：(1)平衡摩擦力的操作方法和检验的标准是逐步调整木板的倾斜程度，给滑块一初速度，滑块能匀速下滑．(2)滑块释放时弹簧的弹性势能最终转化为滑块的动能，有Ep＝eq\f(1,2)mv2＝eq\f(1,2)meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,t)))2.(3)由(2)分析可得，弹簧的弹性势能Ep与eq\f(1,t2)成正比，而由图乙可知x与eq\f(1,t)成正比，所以弹簧的弹性势能与形变量的平方成正比．1．(2024·甘肃渭源考试)探究“做功和物体速度变更的关系”的试验装置如图甲所示，图中是小车在1条橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行的情形．试验中小车获得的速度为v，由打点计时器所打出的纸带测出，橡皮筋对小车做的功记为W；试验时，将木板左端调整到适当高度，每次橡皮筋都拉伸到同一位置释放．请回答下列问题：当我们把2条、3条……完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次……试验．请回答下列问题：(1)除了图甲中已给出的器材外，须要的器材还有：沟通电源、毫米刻度尺．(2)如图乙所示是小车在某次运动过程中打点计时器在纸带上打出的一系列的点，打点的时间间隔为0.02s，则小车离开橡皮筋后的速度为0.36m/s.(保留两位有效数字)(3)将几次试验中橡皮筋对小车所做的功W和小车离开橡皮筋后的速度v，进行数据处理，以W为纵坐标，v或v2为横坐标作图，其中可能符合实际状况的是AD.解析：(1)须要的器材除了沟通电源外，还有毫米刻度尺；(2)小车离开橡皮筋后的速度为v＝eq\f(7.2×10－3,0.02)m/s＝0.36m/s；(3)因为W＝eq\f(1,2)mv2，则以W为纵坐标，v或v2为横坐标作图，其中可能符合实际状况的是AD.2．利用气垫导轨探究动能定理，试验装置如图所示．试验步骤如下：①调整水平桌面上的气垫导轨至水平；②测量挡光条的宽度l，两光电门间的中心间距s，用天平称出滑块和挡光条的总质量M，托盘和砝码的总质量m；③将滑块移至光电门1左侧某位置，由静止释放滑块，从计时器中分别读出挡光条通过两光电门的时间Δt1、Δt2.用测量的物理量求解下列物理量：(1)滑块通过光电门1和2时瞬时速度分别为v1＝eq\f(l,Δt1)，v2＝eq\f(l,Δt2).(2)滑块通过光电门1和2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1＝eq\f(1,2)(M＋m)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(l,Δt1)))2，Ek2＝eq\f(1,2)(M＋m)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(l,Δt2)))2.外力对系统做的功为W＝mgs.(3)试验中，验证动能定理是否成立的关系式为mgs＝eq\f(1,2)(M＋m)eq\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(l,Δt2)))2－\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(l,Δt1)))2)).解析：(1)由于挡光条宽度很小，因此将挡光条通过光电门时的平均速度当作瞬时速度，v1＝eq\f(l,Δt1)，v2＝eq\f(l,Δt2).(2)依据动能的定义式得：通过光电门1，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能为Ek1＝eq\f(1,2)(M＋m)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(l,Δt1)))2.通过光电门2，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能为Ek2＝eq\f(1,2)(M＋m)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(l,Δt2)))2.在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，外力对系统做的总功W＝mgh＝mgs.(3)假如W＝ΔEk＝Ek2－Ek1，则可认为验证了动能定理．3．某同学用如图所示装置做“探究动能定理”的试验．装置中装有细砂的砂桶与小车通过绕过定滑轮的细线相连，小车后端固定穿过打点计时器的纸带，打点计时器接频率为50Hz的电源．(1)试验时先不挂砂桶，反复调整垫木的位置，直到小车做匀速直线运动，这样做的目的是平衡小车运动过程中受到的摩擦力(2)挂上装有细砂的砂桶后，通过试验得到如图所示的纸带．纸带上O点为小车运动起始时刻所打的点，在纸带上标出了连续的3个计数点A、B、C，相邻两个计数点之间都有4个点迹没有标出，测出各计数点到O点之间的距离分别为sOA＝16.3cm，sOB＝25.3cm，sOC＝36.3cm.试验时小车所受细线的拉力大小为0.2N，小车质量为0.1kg.则通过计算可知，从O至B的运动过程中，小车所受合外力做的功W＝0.051J，小车动能的变更量ΔEk＝0.050J(结果保留至小数点后3位)．(3)在第(2)问中，若试验前已经测得未装砂时小桶的质量为5×10－3kg，试验时该同学放入砂桶中细砂的质量为0.02kg(g取10m/s2)．解析：(1)试验时先调整垫木的位置，使小车不挂砂桶时能在倾斜的长木板上做匀速直线运动，这样做的目的是为了平衡摩擦力．(2)对O到B的过程，小车所受的合外力等于绳的拉力，则合外力做的功W＝F·sOB≈0.051J，打B点时小车的瞬时速度vB＝eq\f(sAC,2T)＝eq\f(36.3－16.3×10－2,2×0.1)m/s＝1m/s，则动能的变更量ΔEk＝eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,B)－0＝0.050J．(3)由Δs＝aT2可得，a＝eq\f(Δs,T2)＝eq\f([36.3－25.3－25.3－16.3]×10－2,0.12)m/s2＝2m/s2，对砂和砂桶由牛顿其次定律得(m＋m0)g－F＝(m＋m0)a，其中砂桶质量m0＝0.005kg，解得m＝0.02kg.4．(2024·河北石家庄模拟)如图1所示为某爱好小组探究物体动能变更与做功关系的试验装置．始终径为d、质量为m的金属小球由A处静止释放，下落过程中能通过A处正下方，固定于B处的光电门，测得A、B间的距离为h(h≫d)，小球通过光电门的时间为t.(1)若某同学用10分度的游标卡尺测量小球的直径如图2所示，则小球的半径是0.735cm.(2)小球经过光电门B时的速度表达式为v＝eq\f(d,t).(3)多次变更h，求得与h对应的小球通过光电门的时间t.计算出小球通过光电门的动能．分别作出动能与h的关系图象、动能与eq\f(1,t)的关系图象．如图3、图4所示．图象中的物理量单位采纳国际制单位，但横轴没有标出．可以推断图4是Ek­h(填“Ek­h”或“Ek­eq\f(1,t)”)的图象．通过图象可以判定小球在下落过程中动能的变更量等于重力所做的功．(4)图3中O、A连线的斜率数值为k，图4中直线的斜率数值为k，则当地的重力加速度g为eq\f(k,m)，小球在图3中A点所对应的瞬时速度为eq\f(2k,md)(用题中所给字母表示)．解析：(1)依据题图2可知此时游标卡尺测得的小球直径是14mm＋7×0.1mm＝14.7mm，所以小球的半径r＝7.35mm＝0.735cm；(2)小球经过光电门B时的瞬时速度表达式为v＝eq\f(d,t)；(3)依据Ek＝mgh可知动能与下降的高度成线性关系，所以题图4是Ek­h图线，依据Ek＝eq\f(1,2)md2×eq\f(1,t2)，明显题图3是Ek­eq\f(1,t)图线；(4)依据题图4的斜率k＝mg可知当地重力加速度为eq\f(k,m)，依据Ek＝eq\f(1,2)mdv×eq\f(1,