2020年高考物理 必考17個實驗精講精練 專題06 探究動能定理(含解析)

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1、探究動能定理 基本知識 動能定理:力在一個過程中對物體所做的功,等于物體在這個過程中動能的變化即末動能減去初動能。 當初速度為零時,,功與速度的二次方成正比。 實驗裝置: 實驗步驟: 第一次用1根橡皮筋,測得速度為v 第二次用2根橡皮筋,測得速度為v2 第三次用3根橡皮筋,測得速度為v3 多次 數據處理: 功 速度的二次方 W V2 2W 2v2 3W 3v2 例題和習題 1. 2019年高考江蘇省物理卷第10題.(8分) 某興趣小組用如圖10-1所示的裝置驗證動能定理 (1)有兩種工作頻率均為50Hz的打點計時器供實驗選用: A.

2、電磁打點計時器 B.電火花打點計時器 為使紙帶在運動時受到的阻力較小,應選擇_______(選填“A”或“B”) (2)保持長木板水平,將紙帶固定在小車后端,紙帶穿過打點計時器的限位孔。實驗中,為消除摩擦力的影響,在砝碼盤中慢慢加入沙子,直到小車開始運動。同學甲認為,此時摩擦力的影響已經得到消除。同學乙認為還應從盤中取出適量沙子,直至輕推小車觀察到小車做勻速運動。看法正確的同學是______(選填“甲”或“乙”)。 (3)消除摩擦力的影響后,在砝碼盤中加入砝碼,接通打點計時器電源,松開小車,小車運動,紙帶被打出一系列點,其中一段如題10-2圖所示。圖中紙帶按實際尺寸畫出,紙帶上A點的速

3、度=______m/s. (4)測出小車的質量為M,再測出紙帶上起點到A點的距離為L。小車動能的變化量可用算出。砝碼盤中砝碼的質量為m,重力加速度為g.實驗中,小車的質量應(選填“遠大于”、“遠小于”或“接近”)砝碼、砝碼盤和沙子的總質量,小車所受合力的功可用算出。多次測量,若W與均基本相等則驗證了動能定理。 【答案】(1)B(2)乙(3)0.31(0.30~0.33都算對)(4)遠大于 【解析】(2)為什么平衡摩擦力后輕推小車觀察到小車做勻速運動呢?因為此情況小車受到的重力的下滑力分力與滑動摩擦力平衡,而甲同學的情況是下滑力克服最大靜摩擦力。本實驗是

4、滑動摩擦力,所以乙同學正確。 (3)用刻度尺測出A兩邊的兩點間的距離為,則速度。 這是江蘇省物理卷要求用刻度尺直接測量試卷上的實際長度了,所以老師一再要求學生高考時帶齊文具包括刻度尺、三角板、量角器、圓規(guī)等,就有學生不以為然,果然吃虧。不聽老人言吃虧在眼前嘛! (4)為什么小車的質量應遠大于砝碼、砝碼盤和沙子的總質量呢?其原因和牛頓第二定律實驗是一樣的,為了使砝碼、砝碼盤和沙子的總重力與小車受到的拉力接近。 2. 如圖所示,在“探究功與物體速度變化的關系”的實驗中,下列說法正確的是(   ?。? A.為減小實驗誤差,長木板應水平放置 B.通過增加橡皮筋的條數可以使橡皮筋對

5、小車做的功成整數倍增加 C.小車在橡皮筋拉力作用下做勻加速直線運動,當橡皮筋恢復原長后小車做勻速運動 D.應選擇紙帶上點距均勻的一段計算小車的速度 【答案】BD 3.探究力對原來靜止的物體做的功與物體獲得的速度的關系,實驗裝置如圖所師,實驗主要過程如下: (1)設法讓橡皮筋對小車做的功分別為W、2W、3W、……; (2)分析打點計時器打出的紙帶,求 出小車的速度、、、……; (3)作出草圖; (4)分析圖像。如果圖像是一條直線,表明∝;如果不是直線,可考慮是否存在∝、∝、∝等關系。 以下關于該試驗的說法中有一項不正確,它是___________。

6、 A.本實驗設法讓橡皮筋對小車做的功分別為W、2W、3W、……。所采用的方法是選用同樣的橡皮筋,并在每次實驗中使橡皮筋拉伸的長度保持一致。當用1條橡皮筋進行是實驗時,橡皮筋對小車做的功為W,用2條、3條、……橡皮筋并在一起進行第2次、第3次、……實驗時,橡皮筋對小車做的功分別是2W、3W、……。 B.小車運動中會受到阻力,補償的方法,可以使木板適當傾斜。 C.某同學在一次實驗中,得到一條記錄紙帶。紙帶上打出的點,兩端密、中間疏。出現這種情況的原因,可能是沒有使木板傾斜或傾角太小。 D.根據記錄紙帶上打出的點,求小車獲得的速度的方法,是以紙帶上第一點到最后一點的距離來進行計算。 【答案

7、】D 【解析】本實驗的目的是探究橡皮繩做的功與物體獲得速度的關系。這個速度是指橡皮繩做功完畢時的速度,而不整個過程的平均速度,所以D選項是錯誤的。 4. 利用拉力傳感器和速度傳感器探究“動能原理” 某試驗小組利用拉力傳感器和速度傳感器探究“動能原理”。如圖12,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小。在水平面上相距50.0cm的A、B兩點各安裝一個速度傳感器, 記錄小車通過A、B時的速度大小、小車中可以放置砝碼。 (1)試驗主要步驟如下: ①測量 和拉力傳感器的總質量M1;把細線的一端固定在拉力傳感器

8、上,另一端通過定滑輪與鉤碼相連;正確連接所需電路; ②將小車停在C點, ,小車在細線拉動下運動,記錄細線拉力及小車通過A、B時的速度; ③在小車中增加砝碼,或 ,重復②的操作. (2)表1是他們測得的一組數據,期中M是M1與小車中砝碼質量之和,是兩個速度傳感器記錄速度的平方差,可以據此計算出動能變化量△E,F是拉力傳感器受到的拉力,W是F在A、B間所做的功。表格中的△E3= ,W3= .(結果保留三位有效數字) (3)根據表1,請在圖13中的方格紙上作出△E-W圖線. 圖13 【答案】 (1)①小車;②由靜止

9、開始釋放小車;③改變小車質量. (2)0.600J,0.610J. (3)△E-W圖線如圖所示 5. 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50 Hz. (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, , ,小車拖動紙帶,打點計時器在紙帶上打下一列點, ; ③改變鉤碼或小車中砝碼的數量,更換紙帶,重復②的操作 (2)圖1是鉤碼質量為0.

10、03 kg,砝碼質量為0.02 kg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五個計數點,可獲得各計數點到O的距離S及對應時刻小車的瞬時速度v,請將C點的測量結果填在表1中的相應位置. 表1紙帶的測量結果 測量點 S/cm r/(m·s-1) 0 0.00 0.35 A 1.51 0.40 B 3.20 0.45 C ______ ______ D 7.15 0.54 E 9.41 0.60 (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,

11、 做負功. (4)實驗小組根據實驗數據繪出了圖2中的圖線(其中Δv2=v2-v02),根據圖線可獲得的結論是 .要驗證“動能定理”,還需要測量的物理量是摩擦力和 . 0 2 4 6 8 10 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 s/cm Δv2/(m2·s-2) 【答案】 (1)②接通電源、釋放小車 斷開開關 (2)5.06 0.49 (3)鉤砝的重力 小車受摩擦阻力 (4)小車初末速度的平方差與位移成正比

12、小車的質量 【解析】 (1)②接通電源、釋放小車 斷開開關 (2) 從尺上讀數,C:6.06cm, 減去O點讀數1.00 cm ,得C點的S值5.06cm C點速度 鉤砝的重力做正功, 小車受摩擦阻力做負功 小車初末速度的平方差與位移成正比,即 要驗證“動能定理”,即還需要測量的物理量是摩擦力f和小車的質量M. 6.①某同學探究恒力做功和物體動能變化間的關系,方案如圖所示.他想用鉤碼的重力表示小車受到的合外力,為減小這種做法帶來的誤差,實驗中要采取的兩項措施是: a

13、 b ②如圖所示是某次實驗中得到的一條紙帶,其中A、B、C、D、E、F是計數點,相鄰計數點間的時間間隔為T。距離如圖。則打B點時的速度為 ;要驗證合外力的功與動能變化間的關系,測得位移和速度后,還要測出的物理量有 A B C D E F △x1 △x2 △x3 △x4 △x5 【答案】 ① a 平衡摩

14、擦力 b 鉤碼的重力遠小于小車的總重力 (或者:鉤碼的質量遠遠小于小車的質量;答m鉤《M車 同樣給分) ② 鉤碼的質量m,小車的質量M。 7. 如圖1所示,用質量為m的重物通過滑輪牽引小車,使它在長木板上運動,打點計時器在紙帶上記錄小車的運動情況。利用該裝置可以完成“探究動能定理”的實驗。 (1)打點計時器使用的電源是 (選填選項前的字母)。 A.直流電源 B.交流電源 (2)實驗中,需要平衡摩擦力和其他阻力。正確操作方法是 (選填選項前的字母)。 A.把長木板右端墊高 B.改變小車的質量 在不掛重物

15、且 (選填選項前的字母)的情況下,輕推一下小車,若小車拖著紙帶做勻速運動,表明已經消除了摩擦力和其他阻力的影響。 A.計時器不打點 B.計時器打點 (3)接通電源,釋放小車,打點計時器在紙帶上打下一系列點,將打下的第一個點標為O。在紙帶上依次取A、B、C……若干個計數點,已知相鄰計數點間的時間間隔為T。測得A、B、C……各點到O點的距離為x1、x2、x3……,如圖2所示。 實驗中,重物質量遠小于小車質量,可認為小車所受的拉力大小為mg,從打O點到打B點的過程中,拉力對小車做的功W= ,打B點時小車的速度v= 。 (4)以v2為縱坐標,W為

16、橫坐標,利用實驗數據做出如圖3所示的v2–W圖像。由此圖像可得v2隨W變化的表達式為_________________。根據功與能的關系,動能的表達式中可能包含v2這個因子;分析實驗結果的單位關系,與圖線斜率有關的物理量應是_________。 (5)假設已經完全消除了摩擦力和其他阻力的影響,若重物質量不滿足遠小于小車質量的條件,則從理論上分析,圖4中正確反映v2–W關系的是______________。 【答案】(1)B (2) A B (3)mgk2 (4) () 小車質量的倒數的2倍,單位 (5)D 【解析】 (4)圖象的截距為,斜率為,所以v2

17、隨W變化的表達式為。根據動能定理,得,所以圖象的斜率是;從單位分析,斜率k的單位是,與圖線斜率有關的物理量應是小車質量的倒數。 (5)若重物質量不滿足遠小于小車質量的條件,則根據 和,m表示重物質量,M表示小車質量,則, 當重物質量滿足遠小于小車質量的條件時,動能定理為,即,即, 當重物質量不滿足遠小于小車質量的條件時,動能定理為,即,將,得,即,顯然,變小了,圖象為D。 8.利用如題圖所示的實驗裝置探究恒力做功與物體動能變化的關系.小車的質量為M=200.0 g,鉤碼的質量為m=10.0 g,打點計時器的電源為50 Hz的交流電. (1)掛鉤碼前,為了消除摩擦力的影響,應

18、調節(jié)木板右側的高度,直至向左輕推小車觀察到_____________________. (2)掛上鉤碼,按實驗要求打出的一條紙帶如題10-2圖所示.選擇某一點為O,一次每隔4個計時點取一個計數點.用刻度尺量出相鄰計數點間的距離,記錄在紙帶上.計算打出各計數點時小車的速度v,其中打出計數點“1”時小車的速度v1=______m/s. (3)將鉤碼的重力視位小車受到的拉力,取g=9.80 m/s,利用W=mg算出拉力對小車做的功W.利用算出小車動能,并求出動能的變化量.計算結果見下表. 2.45 2.92 3.35 3.81 4.26 2.31 2.73 3.12 3.61 4.00 請根據表中的數據,在答題卡的方格紙上作出圖象. (4)實驗結果表明,總是略小于W.某同學猜想是由于小車所受拉力小于鉤碼重力造成的.用題中小車和鉤碼質量的數據可算出小車受到的實際拉力F=__________. 【答案】 (1)小車做勻速運動 (2)0.228 (3) (4)0.093 【解析】(2) (3)作圖象時注意:0點不為零,而是2.0,見下圖。 (4),解得,,代入數據得 13

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