2021高考物理（全国版）一轮复习教师用书：专题六考点5　实验：探究动能定理 WORD版含答案.docx

1、 考点5实验:探究动能定理 40考向实验原理和方法2017北京高考,21,18分如图甲所示,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.图甲 (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.计时器打点图乙(3)接通电源,释放小车,

2、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,如图乙所示.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=.图丙(4)以v2为纵坐标,W为横坐标,利用实验数据作出如图丙所示的v2-W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

3、质量不满足远小于小车质量的条件,则从理论上分析,下面正确反映v2-W关系的是. AB CD必备知识:探究动能定理的实验原理;打点计时器的使用;实验数据处理等.关键能力:针对实验原理的科学探究的能力.解题指导:探究动能定理实验中的合外力,认为是重物的重力,为了减少误差,必须要通过垫高木板让重力沿斜面的分力与摩擦力平衡,从而消除摩擦力的影响;平衡摩擦力时还应该拖着纸带,并让打点计时器打点,因为纸带运动和打点时都会有阻力影响;试题要求从分析实验结果的单位关系入手,从而获知是与质量有关,将m和M作为系统研究,合力做的功W=mgx,系统动能增量Ek=12(m+M)v2,则有W=12(m+M)v2,即v2

4、=2Wm+M.考法1 掌握实验原理和实验方法1某学习小组做“探究合力做的功和物体速度变化的关系”实验,图中小车在1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记为W.当把2条、3条完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次实验时,使每次实验中橡皮筋伸长的长度保持一致.每次实验中小车获得的速度由打点计时器所打的纸带测出.(1)除了图中已有的实验器材外,还需要导线、开关、小木块、(填测量工具名称)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力,则下列操作正确的是.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

5、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2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(填下面纸带上的字母代码).(1)为测量小车获得的速度,必须用刻度尺来测量纸带上点和点之间的距离;打点计时器必须使用交流电源.(2)平衡摩擦力时,也要平衡纸带与限位孔之间的摩擦力.根据平衡状态的特点,拖着

6、纸带的小车做匀速运动时即平衡了摩擦力.(3)若木板水平放置,则未平衡摩擦力.小车速度最大的时刻,也就是加速度为零的时刻,橡皮筋对小车的拉力等于小车受到的摩擦力,此时橡皮筋处于伸长状态,小车还未到两个铁钉的连线处,A、C、D错误,B正确.(4)应该选用小车做匀速运动时对应的那段纸带进行测量,此时小车的速度最大,即GJ部分.(1)刻度尺交流(2)D(3)B(4)GJ1.在用如图所示的装置做“探究功与速度变化的关系”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

7、C.可以通过改变橡皮筋的条数来改变拉力做功的数值D.可以通过改变小车的质量来改变拉力做功的数值E.实验中要先释放小车再接通打点计时器的电源F.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最大速度G.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考法2 实验过程及实验数据的处理2某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究动能定理.如图甲所示,他们将拉力传感器固定在小车上,用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连,用拉力传感器记录小车受到拉力的大小.在水平桌面上相距50.0 cm的A、B两点各安装一个速度传感器,记录小车通过A、B时的速度大小.小车中可以放置砝码.图甲 (1)实

8、验主要步骤如下:测量和拉力传感器的总质量M1;把细线的一端固定在拉力传感器上,另一端通过定滑轮与钩码相连;正确连接传感器电路.将小车停在C点,小车在细线拉动下运动,记录细线拉力及小车通过A、B时的速度.在小车中增加砝码或,重复的操作.(2)下表是他们测得的一组数据,其中M是M1与小车中砝码质量之和,|v22-v12|是两个速度传感器记录的速度的平方差,可以据此计算出小车与车中砝码的动能变化量E,F是拉力传感器受到的拉力,W是小车在A、B间运动过程中拉力F所做的功.表格中的E3=,W3=.(结果保留3位有效数字)数据记录表次数M/kg|v22-v12|/(ms-1)2E/JF/NW/J10.50

9、00.7600.1900.4000.20020.5001.650.4130.8400.42030.5002.40E31.220W341.0002.401.202.4201.2151.0002.841.422.8601.43(3)根据实验数据,在图乙方格纸上作出E-W图线.图乙(1)钩码所受的重力做功,小车动能增加.拉力传感器测量拉力大小,速度传感器测量小车速度.通过挂不同数量的钩码改变动能的增量,从而探究外力做功与动能改变的关系.需测出小车和拉力传感器的总质量.将小车停在C点后释放小车.在小车中增加砝码或减少钩码.(2)E3=12M|v22-v12|=0.50.5002.40=0.600 JW

10、=Fs=1.2200.500=0.610 J.(3)根据表中数据描点作图,作图时,图线过原点,并使尽量多的点位于图线上,不在图线上的点,尽量位于图线两侧.(1)小车然后释放小车减少钩码(2)0.600 J0.610 J(3)如图所示2. 2017江苏高考,10,8分利用如图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.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

11、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g=9.80 m/s2,利用W=mgx算出拉力对小车做的功W.利用Ek=12Mv2算出小车动能,并求出动能的变化量Ek.计算结果见下表. W/10-3 J2.452.923.353.814.26 Ek/10-3 J2.312.733.123.614.00请根据表中的数据,在方格纸上作出Ek-W图象.(4)实验结果表明,Ek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

12、据可算出小车受到的实际拉力F=N. 科学创新实验拓展迁移与创新3四川高考如图甲所示,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“研究合外力做功和动能变化的关系”的实验:图甲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.连接细绳及托盘,放入砝码,通过实验得到图乙所示的纸带.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.图乙请计算小车所受合外力做的功W和小车动能的变化量Ek,补填表中空格

13、(结果保留至小数点后第4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.实验前已测得托盘质量为7.710-3 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3位).平衡摩擦力后,重力沿木板方向的分力等于小车所受的摩擦力,将小车释放后,小车将做匀速直线运动.已知拉力为0.2 N,打点F时小车的位移为0.557 5 m,所以,拉力所做的功W=Fx=0.20.557 5 J=0.11

14、1 5 J打下F点时小车的速度vF=xEGtEG=(66.77-45.75)0.01m20.1s=1.051 m/s所以小车动能的变化量Ek=12mvF2=0.110 5 J.对于小车,由牛顿第二定律可知a=Fm=1 m/s2对于托盘以及砝码,有mg-F=ma即m=Fg-a=0.023 kg所以,托盘中砝码的质量为(23.0-7.7)10-3 kg0.015 kg .匀速直线(或匀速) 0.111 50.110 50.015 3.2020福建三明高三第二阶段考试为了“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

15、与质量为m的带夹子的重锤跨过定滑轮相连,重锤后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,如图甲所示.第二步:如图乙所示,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,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,打出的纸带如图丙所示.请回答下列问题:请回答下列问题:(1)已知打下各相邻计数点间的时间间隔为t,则打点计时器打B点时滑块运动的速度vB=.(2)已知重锤质量为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中滑块(写出物理量名称及符号,只写一个物

16、理量),合外力对滑块做功的表达式W合=.(3)算出打下A、B、C、D、E点时合外力对滑块所做的功W以及滑块的速度v,以v2为纵轴、W为横轴建立直角坐标系,描点作出v2-W图象,可知该图象是一条,根据图象还可求得.考点5实验:探究动能定理(1)B(2) AB(3)mgx2x3-x12T(4)v2=kW,k=(4.55.0) m2s-2J-1质量(5)A解析:(1)打点计时器使用的电源是交流电源,故选B.(2)实验中,平衡摩擦力和其他阻力时,应先不挂重物,把长木板右端适当垫高,在小车后面挂上纸带,接通电源,在打点计时器打点的情况下,轻推一下小车,给小车一个初速度,若小车拖着纸带做匀速运动,则表明已

17、经消除了摩擦力和其他阻力的影响.(3)实验中,可认为小车所受的拉力F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=Fx2= mgx2.在匀变速直线运动中,中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度,故vB=xAC2T=x3-x12T.(4)由题图丙可知,v2=kW,斜率k=v2W,其单位为m2s-2J-1.又1 J=1 Nm, 1 N=1 kgms-2,故1 J=1 kg m2s-2,故J-1=kg-1 m-2s2,因此斜率k=v2W的单位为1kg,故与图线斜率有关的物理量应是质量.(5)假设完全消除了摩擦力和其他阻力的影响,对由小车和重物组成的系统,其动能增加量为Ek=(m+M)

18、v22,考虑到我们按重力做功W=mgx ,有Ek=(M+m)v22=W,即v2=2M+mW,故v2-W的图象斜率k=2M+m,保持不变,故选项A正确.1.ABCF适当垫高木板左端,当小车匀速运动时,小车的重力沿斜面的分力与摩擦力平衡.实验中要求橡皮筋规格相同,拉伸长度相同,即每根橡皮筋做功相等,所以只需通过改变橡皮筋的条数就可以改变做功的数值,实验时应该先接通电源再释放纸带.当橡皮筋松驰时,即小车加速结束时,小车做匀速运动,此时速度即为小车获得的最大速度.2.(1)小车做匀速运动(2)0.228(3)见解析图(4)0.093解析:(1)挂钩码前,应调节木板右侧的高度,直至向左轻推小车观察到小车

19、做匀速运动,表明此时已消除了摩擦力的影响.(2)打出计数点1时小车的瞬时速度v1=xO22T=0.228 m/s.(3)根据题表格中的数据作出Ek-W图象如图所示.(4)对小车、钩码分别根据牛顿第二定律列式可解得,a=mgM+m,则小车受到的实际拉力F=MmgM+m=0.20.019.80.2+0.01 N0.093 N.3.(1)x3-x12t(2)下滑的位移xmgx(3)过原点的直线滑块的质量M解析:(1)由打出的纸带可知B点的速度vB=x3-x12t.(2)设长木板的倾角为,滑块与长木板间摩擦力为f,当滑块向下匀速运动时,有Mgsin =f+mg;当滑块向下加速运动时,其所受合外力F合=Mgsin -f=mg.由功的定义式可知还需要知道滑块在这一过程中的位移x,故合外力对滑块做的功W合=mgx.(3)根据W合=Ek=12Mv2可知v2-W图象应该为一条过原点的直线,由直线的斜率k=2M可求M.