專題05探究動能定理頂峰相見2024年高考物理實驗培優(yōu)突破

專題05探究動能定理1.通過實驗探究力對物體做功與物體速度變化的關系.2.通過分析論證和實驗探究的過程，培養(yǎng)實驗探究能力和創(chuàng)新精神.【實驗目的】探究功與物體速度變化的關系?！緦嶒炘怼?1)一根橡皮筋作用在小車上移動距離s——做功為W。(2)兩根橡皮筋作用在小車上移動距離s——做功應為2W。(3)三根橡皮筋作用在小車上移動距離s——做功應為3W。(4)利用打點計時器求出小車離開橡皮筋的速度，列表、作圖，由圖象可以確定速度變化與功的關系?！緦嶒炂鞑摹肯鹌そ?、小車、木板、打點計時器、紙帶、鐵釘?shù)取！緦嶒灢襟E】(1)墊高木板的一端，平衡摩擦力；(2)拉伸的橡皮筋對小車做功：①用一條橡皮筋拉小車做功W；②用兩條橡皮筋拉小車做功2W；③用三條橡皮筋拉小車做功3W；(3)測出每次做功后小車獲得的速度；(4)分別用各次實驗測得的v和W繪制Wv或Wv2、Wv3、……圖象，直到明確得出W和v的關系?！緦嶒灲Y(jié)論】物體速度v與外力做功W間的關系。1.實驗注意事項(1)將木板一端墊高，使小車的重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡，方法是輕推小車，由打點計時器打在紙帶上的點的均勻程度判斷小車是否做勻速運動，找到長木板的一個合適的傾角。(2)測小車速度時，應選紙帶上的點均勻的部分，也就是選小車做勻速運動的部分。(3)橡皮筋應選規(guī)格一樣的，力對小車做的功以一條橡皮筋做的功為單位即可，不必計算出具體數(shù)值。(4)小車質(zhì)量應大一些，使紙帶上打的點多一些。2.實驗探究的技巧與方法(1)不直接計算W和v的數(shù)值，而只是看第2次、第3次……實驗中的W和v是第1次的多少倍，簡化數(shù)據(jù)的測量和處理.(2)做wv圖象，或Wv2、Wv3圖象，直到作出的圖象是一條傾斜的直線?？枷蛞粚嶒炘砼c實驗操作【例題1】某實驗小組采用如圖所示的裝置探究“動能定理”，圖中小車中可放置砝碼，實驗中，小車碰到制動裝置時，鉤碼尚未到達地面，打點計時器工作頻率為50Hz。（1）實驗的部分步驟如下：①在小車中放入砝碼，把紙帶穿過打點計時器，連在小車后端，用細線連接小車和鉤碼；②將小車停在打點計時器附近，接通電源，釋放小車，小車拖動紙帶，打點計時器在紙帶上打下一列點，斷開開關；③改變鉤碼或小車中砝碼的數(shù)量，更換紙帶，重復②的操作。（2）圖1是鉤碼質(zhì)量為0.03kg，砝碼質(zhì)量為0.02kg時得到的一條紙帶，在紙帶上選擇起始點O及A、B、C、D和E五個計數(shù)點，可獲得各計數(shù)點到O的距離x及對應時刻小車的瞬時速度v，測量結(jié)果在表1中的相應位置。表1紙帶的測量結(jié)果測量點00.000.35A1.510.40B3.200.45C5.080.49D7.150.54E9.410.60（3）在小車的運動過程中，對于鉤碼、砝碼和小車組成的系統(tǒng)，做正功，小車所受摩擦阻力做負功。（4）實驗小組根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出了圖2中的圖線（其中），根據(jù)圖線可獲得的直接結(jié)論是。（5）要驗證“動能定理”，還需要測量的物理量是摩擦力和。【答案】鉤碼的重力見解析小車的質(zhì)量【詳解】（3）[1]在小車的運動過程中，對于鉤碼、砝碼和小車組成的系統(tǒng)，鉤碼的重力做正功，，小車所受摩擦阻力做負功。（4）[2]令鉤碼質(zhì)量為，砝碼質(zhì)量為，小車質(zhì)量為M，對鉤碼、砝碼和小車組成的系統(tǒng)，根據(jù)動能定理有由于則有可知，若動能定理成立，與成正比，根據(jù)圖像是一條過原點的直線，可知根據(jù)圖線可獲得的直接結(jié)論是：在誤差允許的范圍內(nèi)，對于鉤碼、砝碼和小車組成的系統(tǒng)，合外力做的功等于系統(tǒng)動能的變化量。（5）[3]根據(jù)上述有可知，要驗證“動能定理”，還需要測量的物理量是摩擦力和小車的質(zhì)量?？枷蚨?shù)據(jù)處理與誤差分析【例題2】某同學用如圖所示的實驗裝置來驗證動能定理。實驗過程如下：（1）該同學先用圖甲所示裝置，測滑塊與長木板間的滑動摩擦力f，把彈簧測力計的一端固定在墻上，用力F水平向左拉放在水平面上的長木板，使長木板向左運動，此時測力計的示數(shù)穩(wěn)定，則：①為了測出滑塊與長木板之間的滑動摩擦力的大小，下列操作中正確的是；A．長木板作勻速直線運動B．長木板作勻加速直線運動C．長木板作變加速直線運動D．以上運動均可以②滑塊受到長木板的滑動摩擦力f的大小為N。（2）如圖乙所示，將圖甲中的長木板裝上定滑輪平放在水平實驗臺上，調(diào)節(jié)定滑輪的高度，使拉滑塊的細線與長木板平行。由靜止釋放滑塊，打點計時器打出的紙帶如圖丙所示，O點為剛釋放鉤碼時打下的點，A、B、C、D是四個連續(xù)點，各點與O點間的距離在圖中已標出，在打出此紙帶的過程中，力傳感器的示數(shù)為F，打點計時器所用交流電的周期為T，測得滑塊的質(zhì)量為M，鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量為m，重力加速度為g。則：①該實驗（選填“需要”或“不需要”）鉤碼質(zhì)量遠小于滑塊質(zhì)量；②打下C點時，鉤碼的速度為；此時，如果表達式[用（1）、（2）題中物理量字母表示]成立，即可驗證動能定理。【答案】D4.60不需要【詳解】（1）①[1]滑塊始終處于靜止狀態(tài)，根據(jù)平衡條件可知，為了測出滑塊與長木板之間的滑動摩擦力的大小，只需要長木板相對于滑塊向左運動，即長木板可以向左做勻速直線運動、勻加速直線運動與變加速直線運動，即以上運動均可以。故選D。②[2]滑塊處于靜止，根據(jù)平衡條件可知，滑塊受到長木板的滑動摩擦力f的大小等于彈簧測力計的彈力，根據(jù)圖甲可知，滑塊受到長木板的滑動摩擦力f的大小為4.60N。（2）①[3]由于力傳感器直接測量出細線的拉力，并沒有將鉤碼的重力近似認為等于細線的拉力，可知，該實驗不需要鉤碼質(zhì)量遠小于滑塊質(zhì)量；②[4]勻變速直線運動直，全程的平均速度等于中間時刻的瞬時速度，則打下C點時，鉤碼的速度為[5]從O點到C點，對滑塊進行分析，根據(jù)動能定理有結(jié)合上述解得考向三實驗拓展與創(chuàng)新【例題3】將位移傳感器和速度傳感器獲得的數(shù)據(jù)同時輸入計算機，可一次性直接得到位移和速度的關系圖像。為了探究動能定理，科技小組設計了如圖（a）所示裝置，讓鐵塊從傾角為θ的斜面上某位置由靜止開始下滑，通過位移傳感器測定鐵塊到傳感器的距離l，用速度傳感器測定與l對應位置鐵塊的速度，在計算機中得到如圖（b）的曲線圖像，曲線在（0，a）處的切線斜率為零，在（b，0）處的切線斜率大小為k，重力加速度為g。(1)根據(jù)圖（b）及已知量，可知下列說法正確的是。A．x是鐵塊到傳感器的距離l，y是鐵塊的速度vB．y是鐵塊到傳感器的距離l，x是鐵塊的速度vC．若鐵塊質(zhì)量為m，則鐵塊下滑過程中所受合力大小為F＝D．若鐵塊質(zhì)量為m，則鐵塊下滑過程中所受合力大小為F＝(2)在計算機中重新設置位移與速度的函數(shù)關系，讓計算機繪出的x-v2圖像是一條斜率為k0的直線，則鐵塊與斜面間的動摩擦因數(shù)μ＝?！敬鸢浮緽D【詳解】(1)[1]由動能定理得F（l0－l）＝mv2解得l＝l0－v求導可得圖線切線的斜率大小為k′＝曲線在（0，a）處的切線斜率為零，則速度為零，對應鐵塊靜止釋放的位置，所以y是鐵塊到傳感器的距離l；曲線在（b，0）處切線斜率大小為k，速度大小為b，鐵塊所受合力大小為F＝(2)[2]由x＝l0－l結(jié)合(1)可知，xv2圖像的斜率k0＝其中合力F＝mgsinθ－μmgcosθ解得μ＝tanθ－1．某實驗小組利用如圖甲所示的裝置做“探究加速度與合外力關系”實驗。當?shù)氐闹亓铀俣葹間，滑塊和遮光條的總質(zhì)量為M。（1）為了使滑塊受到的合外力近似等于鉤碼的重力，下列不必要的操作是（單選）。A．平衡摩擦力

B．調(diào)節(jié)氣墊導軌水平C．調(diào)節(jié)牽引滑塊的細線水平

D．使鉤碼質(zhì)量遠小于滑塊質(zhì)量（2）先用游標卡尺測量遮光條的寬度d，如圖乙所示，則d=mm。（3）按正確的操作，接通氣源，將滑塊由A點靜止釋放（A點到光電門的距離為x），記錄鉤碼的質(zhì)量及滑塊通過光電門時遮光條遮光時間，改變懸掛鉤碼的質(zhì)量進行多次實驗，每次滑塊均從A點由靜止釋放，實驗測得多組鉤碼的質(zhì)量m及對應的遮光條遮光時間t，則滑塊經(jīng)過光電門時的瞬時速度v=，作出圖像，如果圖像是一條過原點的傾斜直線，圖像的斜率k=，則表明質(zhì)量一定時，加速度與合外力成正比（用實驗中已知量和所測物理量的符號表示）。（4）若用此實驗過程驗證滑塊和鉤碼系統(tǒng)的動能定理，只要驗證表達式成立即可（用實驗中已知量和所測物理量的符號表示）。【答案】A3.60【詳解】（1）[1]A.本實驗采用了氣墊導軌，故可以不考慮摩擦力的影響，因此無需平衡摩擦力，故A錯誤；BC．調(diào)節(jié)氣墊導軌水平和調(diào)節(jié)牽引滑塊的細線水平，可以使滑塊所受的合外力等于繩上拉力，故BC正確；D．使鉤碼質(zhì)量遠小于滑塊質(zhì)量可以使繩上拉力約等于鉤碼所受重力，故D正確。故選A。（2）[2]游標卡尺的讀數(shù)為（3）[3]滑塊經(jīng)過光電們的速度為[4]在滑塊運動到光電門的過程中，滿足解得由牛頓第二定律和受力分析可知解得故圖像的斜率為（4）[5]若用此實驗過程驗證滑塊和鉤碼系統(tǒng)的動能定理，在滑塊運動到光電門的過程中，只有鉤碼的重力做功，故有若用此實驗過程驗證滑塊和鉤碼系統(tǒng)的動能定理，只要驗證上述表達式即可。2．某實驗小組用如圖所示的裝來驗證系統(tǒng)的動能定理，當?shù)氐闹亓铀俣葹間，主要實驗步驟如下：A．用天平測量滑塊與遮光條的總質(zhì)量M以及鉤碼的質(zhì)量m，調(diào)節(jié)氣墊導軌成水平狀態(tài)；B．將帶有遮光條的滑塊放在氣墊導軌上，用跨過光滑定滑輪的細線拴接滑塊和鉤碼，調(diào)節(jié)細線；C．將滑塊由氣墊導軌的左側(cè)某個位置由靜止釋放，通過刻度尺讀出釋放點與光電門之間的距離L以及遮光條通過光電門的擋光時間；D．重復上述實驗步驟得出多組實驗數(shù)據(jù)．（1）下列說法正確的是（填標號）；A．實驗過程中，鉤碼的重力做的功等于繩對滑塊的拉力做的功B．需要調(diào)節(jié)細線與氣墊導軌成平行狀態(tài)C．為了完成該實驗，還需要測量擋光片從釋放點到光電門處的運動時間（2）若測得擋光條的寬度為d，則滑塊經(jīng)過光電門的瞬間速度為；（3）以為縱軸、以為橫軸，當繪出的函數(shù)圖像的斜率，就能驗證系統(tǒng)的動能定理。【答案】B【詳解】（1）[2]A．運動過程中由于鉤碼加速下降，故鉤碼的重力大于繩上的拉力，故鉤碼的重力做的功大于繩對滑塊的拉力做的功，A錯誤；B．需要調(diào)節(jié)細線與氣墊導軌成平行狀態(tài)，避免形成垂直于氣墊導軌的分力，確保繩上的拉力等于滑塊受到的合力，B正確；C．據(jù)動能定理可得為了完成該實驗，只要驗證上式是否成立即可，不需要測量擋光片從釋放點到光電門處的運動時間，C錯誤。故選B。（2）[2]若測得擋光條的寬度為d，則滑塊經(jīng)過光電門的瞬間速度為（3）[3]由（1）解析中動能定理的關系式可得以為縱軸、以為橫軸，可得函數(shù)圖像的斜率為就能驗證系統(tǒng)的動能定理。3．在物理學研究中，通過理論推導得出的結(jié)論，常常還要經(jīng)過實驗的證明和實踐的檢驗。某實驗小組利用如圖甲所示的裝置進行實驗來驗證動能定理。（1）實驗時，（填“需要”或“不需要”）平衡摩擦力。（2）關于該實驗，下列說法正確的一項是（填標號）。A．為減小誤差，實驗中一定要保證和砂桶的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量B．若選用電火花打點計時器，則應選用6V的直流電源C．開始時小車靠近打點計時器放置，先接通電源，再由靜止釋放小車，打出紙帶，同時記錄力傳感器的示數(shù)D．需要用天平測出砂和砂桶的總質(zhì)量（3）某次實驗時，小車的質(zhì)量為，砂和砂桶的總質(zhì)量為，力傳感器的示數(shù)為，得到如圖乙所示的無漏點紙帶，O點是釋放小車瞬間打下的點，已知打點計時器所接電源的打點周期為。打點計時器打下B點時小車的動能為（用題干及圖乙中測得的部分物理量表示）；從打點計時器打下O點到打點計時器打下B點，細線的拉力對小車做的功為（用題干及圖乙中測得的部分物理量表示）。在誤差允許的范圍內(nèi)，若由實驗得到，則動能定理得到驗證?！敬鸢浮啃枰狢【詳解】（1）[1]利用圖中裝置，為了使兩段繩子拉力的合力等于小車受到的合力，實驗時需要平衡摩擦力。（2）[2]A．因力傳感器可以測量細線上的拉力大小，實驗中不需要保證砂和砂桶的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量，故A錯誤；B．若打點計時器選用電火花計時器，則應選用220V的交流電源，故B錯誤；C．開始時小車靠近打點計時器放置，先接通電源，再由靜止釋放小車，打出紙帶，同時記錄力傳感器的示數(shù)，故C正確；D．因力傳感器可以測量細線上的拉力，因此不需要用天平測出砂和砂桶的總質(zhì)量，故D錯誤。故選C。（3）[3]根據(jù)勻變速直線運動中間時刻速度等于該段過程的平均速度，則有打點計時器打下B點時小車的動能為[4]從打點計時器打下O點到打點計時器打下B點，細線的拉力對小車做的功為4．實驗室提供如圖所示的氣墊導軌和光電門組合實驗裝置，并有天平、螺旋測微器、細線、力傳感器等輔助器材。某實驗小組利用該裝置及輔助器材來探究合外力做功與物體動能變化之間的關系，已知實驗時光電門1和光電門2測出遮光條通過它們的時間分別為和。請回答下列問題：（1）用螺旋測微器測量遮光條寬度d時，其示數(shù)如圖乙所示，則mm；（2）實驗過程中還需要測量的物理量有：兩光電門之間的距離L、滑塊的質(zhì)量m和（請寫出物理量及對應的字母）；（3）實驗得到滑塊從光電門1位置運動到光電門2位置過程中合外力做功的表達式為，滑塊動能變化量的表式為（用題中相關字母表示）；（4）以下操作步驟可以減小實驗誤差的有。A．為平衡摩擦力適當墊高導軌右端B．兩個光電門之間的距離適當遠一些C．遮光條的寬度適當小一些D．換用質(zhì)量盡量大的滑塊【答案】0.729/0.730/0.731力傳感器的示數(shù)BC【詳解】（1）[1]螺旋測微器的精度為0.01mm，轉(zhuǎn)動刻度估讀到0.1格，則遮光條寬度為（0.729~0.730）（2）[2]滑塊的前端連接有力傳感器，故還需要用力傳感器讀出繩的拉力；（3）[3][4]滑塊從光電門1位置運動到光電門2位置過程中合外力做功的表達式為滑塊通過兩光電門的瞬時速度為，則滑塊動能變化量的表式為（4）[4]A．因為滑塊與氣墊導軌之間的摩擦力非常小，可近似認為摩擦力為零，所以不需要把氣墊導軌的右端適當墊高來平衡摩擦力，故A錯誤；B．兩光電門之間的距離L適當大一些，這樣可以使測量L的相對誤差小些，故B正確；C．遮光條的寬度適當小一點，滑塊通過光電門的時間更短，其平均速度更接近通過光電門的瞬時速度，有利于減小誤差，故C正確；D．換用質(zhì)量盡量大的滑塊對動能的變化的測量沒有影響，不能減小實驗誤差，故D錯誤。故選BC。5．某實驗小組利用拉力傳感器和速度傳感器探究“動能定理”，如圖，他們將拉力傳感器固定在小車上，用不可伸長的細線將其通過一個定滑輪與鉤碼相連，用拉力傳感器記錄小車受到拉力的大