2019-2020学年高中物理能力导练十九实验：探究功与速度变化的关系含解析 人教版必修2

2019-2020学年高中物理能力导练十九实验：探究功与速度变化的关系含解析 人教版必修2

能力导练十九　实验：探究功与速度变化的关系 基础巩固 ‎1．关于探究功与物体速度变化的关系实验中，下列叙述正确的是(　　)‎ A．每次实验必须设法算出橡皮筋对小车做功的具体数值 B．每次实验中，橡皮筋拉伸的长度没有必要保持一致 C．放小车的长木板应该尽量使其水平 D．先接通电源，再让小车在橡皮筋的作用下弹出 解析：本实验没有必要测出橡皮筋做的功到底是多少焦耳，只要测出以后各次实验时橡皮筋做的功是第一次实验时的多少倍就足够了，A错；每次实验橡皮筋拉伸的长度必须保持一致，只有这样才能保证以后各次实验时，橡皮筋做的功是第一次实验时的整数倍，B错；小车运动中会受到阻力，只有使木板倾斜到一定程度，才能减小误差，C错；实验时，应该先接通电源，让打点计时器开始工作，然后再让小车在橡皮筋的作用下弹出，D正确．‎ 答案：D ‎2．(多选)在探究功与物体速度变化的关系的实验中，某同学在一次实验中得到了一条如图1所示的纸带，这条纸带上的点两端较密，中间疏，出现这种情况的原因可能是(　　)‎ 图1‎ A．电源的频率不稳定 B．木板倾斜程度太大 C．没有使木板倾斜或倾斜角太小 D．小车受到的阻力较大 11‎ 解析：电源频率不稳定的可能性不大，出现这一现象的原因是小车在橡皮筋作用下加速运动，在橡皮筋恢复原长以后小车做减速运动，且受到的阻力较大．‎ 答案：CD ‎3．(多选)在“探究功与物体速度变化的关系”实验中，下列叙述正确的是(　　)‎ A．必须测出橡皮筋做功是多少焦耳 B．没有必要测出橡皮筋做功数值，只需测出以后各次实验做功是第一次的几倍 C．本实验作图时，速度坐标不必标出小车速度的具体数值 D．本实验作图时必须标出小车速度的数值 解析：在“探究功与物体速度变化的关系”实验中，没有必要测出橡皮筋做功的具体数值，只需测出以后各次实验中做功是第一次的倍数即可，故选项A错误，选项B正确；在试验数据处理时，建立速度坐标轴时．不必标出速度的具体数值，只标明速度之间的倍数关系即可，故选项C正确，选项D错误．‎ 答案：BC ‎4．“探究合力做功与物体速度变化的关系”的实验装置如图2所示，当小车在两条橡皮筋作用下弹出时，橡皮筋对小车做的功记为W0.当用4条、6条、8条…完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、第4次…实验时，橡皮筋对小车做的功记为2W0、3W0、4W0…，每次实验中由静止弹出的小车获得的最大速度可由打点计时器所打的纸带测出．‎ 图2‎ ‎(1)该实验______(填“需要”或“不需要”)平衡摩擦力．‎ 11‎ ‎(2)关于该实验，下列说法正确的是__________．‎ A．打点计时器可以用直流电源供电，电压为4～6 V B．实验中使用的若干根橡皮筋的原长可以不相等 C．每次实验中应使小车从同一位置由静止弹出 D．利用每次测出的小车最大速度vm和橡皮筋做的功W，依次做出W—vm、W－vm2、W—vm3、W—…的图象，直到找出合力做功与物体速度变化的关系 解析：(1)由于实验中要求橡皮筋对小车做的功是合外力做的功，故需要平衡摩擦力，让重力做的功与摩擦力做的功相等．(2)打点计时器使用的是交流低压电源，故A错误；实验中使用的橡皮筋的原长应该相等，这样增加橡皮筋的条数才能使外力做功增加相应的倍数，故B也错误；而C中每次实验中应使小车从同一位置由静止弹出是正确的；D中依次做出W－vm、W－vm2、W—vm3、W－…的图象，直到找出合力做功与物体速度变化的关系也是正确的．‎ 答案：(1)需要　(2)CD ‎5．某学习小组做“探究功与速度变化的关系”的实验装置如图3所示，图中小车是在一条橡皮筋作用下弹出的，沿木板滑行，这时，橡皮筋对小车做的功记为W.当用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(每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致)，每次实验中小车获得的速度根据打点计时器打出的相应的纸带进行计算．‎ 图3‎ 11‎ ‎ (1)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阻力，则下面操作正确的是 (　　)‎ 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 ‎(2)若木板水平放置，小车在两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 ‎(3)(多选)下列哪些操作可以有效减小实验误差(　　)‎ A．每次实验中，橡皮筋拉伸的长度没有必要保持一致 B．每次实验中橡皮筋的规格要相同．拉伸的长度要一样 C．先接通电源，再让小车在橡皮筋的作用下弹出 D．先让小车在橡皮筋的作用下弹出，再接通电源 解析：(1)平衡摩擦力时，应将纸带穿过打点计时器，放开拖着纸带的小车，小车能够匀速下滑即可，故D正确；‎ ‎(2)放开小车后，小车做加速运动，当橡皮筋的拉力大小等于摩擦力大小时，小车的速度最大，此时橡皮筋仍处于伸长状态，B正确；‎ ‎(3)每次实验所用橡皮筋必须相同．且橡皮筋拉伸的长度必须保持一致 11‎ ‎，只有这样才能保证以后各次实验时，橡皮筋做的功是第一次的整数倍，故A错误，B正确；实验时，应该先接通电源，让打点计时器开始稳定工作，然后再让小车在橡皮筋的作用下弹出，故C正确，D错误．‎ 答案：(1)D　(2)B　(3)BC 综合应用 ‎6．某同学用如下器材验证动能定理：一端带滑轮的长木板、滑块M、滑块m、轻质挡光片、两个光电门、细绳、游标卡尺、米尺、…已知重力加速度为g，且满足M≫m，验证步骤如下：‎ 图4‎ ‎①用游标卡尺测量挡光片宽度，记为d，并将其固定在滑块M上．‎ ‎②将两个光电门固定于长木板上，并多次测量两光电门之间的距离，求出平均值并记为l.‎ ‎③将长木板不带滑轮的一端垫起，令滑块M由长木板上端滑下，反复调整垫起的高度直至滑块经过两光电门的时间示数相同，并固定垫块的位置．‎ ‎④细绳的一端系在滑块M上，跨过滑轮连接另一个滑块m，调整滑轮使细绳平行于长木板．‎ ‎⑤将滑块M置于长木板靠近顶端的某位置，由静止释放，记录挡光片先后经过长木板上端和下端两个光电门的示数，分别记为Δt1、Δt2.‎ 11‎ ‎⑥分析数据和实验误差，验证动能定理．‎ 请按要求回答下列问题：‎ ‎(1)“反复调整垫起的高度直至滑块经过光电门的时间示数相同”，这样的操作结果说明滑块在长木板上做________运动，这样操作的目的是______________________．‎ ‎(2)用题目中所给字母表示验证滑块M动能定理的关系式________________________________．‎ ‎(3)用测量结果验证动能定理的过程中发现，合力所做的功始终略大于滑块动能变化量，请分析这是什么因素导致的？__________________________________________．‎ 解析：(1)滑块经过两光电门的时间示数相同，即通过光电门的速度相等，滑块在长木板上做匀速直线运动，这样操作的目的是平衡摩擦力，使细绳拉力充当滑块M所受的合外力．‎ ‎(2)以滑块M为研究对象，动能定理表达式为 mgl＝M.‎ ‎(3)平衡摩擦力后，滑块M受到的合外力为绳子拉力，当M≫m时，近似认为滑块m的重力等于细绳拉力，实际上滑块m的重力大于细绳拉力，滑块m的重力做功增加了M和m的动能．‎ 答案：(1)匀速直线　平衡摩擦力( 或者保证滑块M所受合外力是细绳的拉力)‎ ‎(2)mgl＝M ‎(3)滑块m的重力总是略大于绳子的拉力 ‎7．为了探究“合力做功与速度变化的关系”某学习小组在实验室组装了如图5所示的装置，备有下列器材：打点计时器所用的学生电源、导线、复写纸、天平、细沙．他们称量滑块的质量为M、沙和小桶的总质量为m.当滑块连接上纸带，‎ 11‎ 让细线跨过滑轮并悬挂空的小桶时，滑块处于静止状态．要完成该实验，请回答下列问题：‎ 图5‎ ‎(1)要完成本实验，还缺少的实验器材是__________________________．‎ ‎(2)实验时为保证滑块受到的合力与沙、小桶的总重力大小基本相等，沙和小桶的总质量应满足的实验条件是__________，实验时为保证细线拉力等于滑块所受的合外力，首先要做的步骤是________________________．‎ ‎(3)在满足(2)问的条件下，让小桶带动滑块加速运动，如图6所示为打点计时器所打的纸带的一部分，图中A、B、C、D、E是按时间先后顺序确定的计数点，相邻计数点间的时间间隔为T，相邻计数点间的距离标注在图上，当地重力加速度为g，则在B、D两点间对滑块研究，合力对滑块做的功为__________，vB＝__________，vD＝__________(用题中所给的表示数据的字母表示)．‎ 图6‎ 解析：(1)因为需要计算速度，所以需要刻度尺测出距离．(2)为了保证细线拉力即为小滑块所受合外力，必须先平衡摩擦力，让重力分量与摩擦力平衡；但此时仍有系统误差，因为绳子拉力不等于沙桶重力，拉力比沙桶重力略小，小桶也在加速，所以只有在沙和桶的总质量远小于滑块质量时，才可近似认为拉力等于沙和桶的重力．(3)用平均速度表示瞬时速度．‎ 答案：(1)毫米刻度尺 11‎ ‎(2)沙和小桶的总质量远小于滑块的质量　平衡摩擦力 ‎(3)mg(x2＋x3)　　 ‎8．某同学为探究“恒力做功与物体动能改变的关系”，设计了如下实验，他的操作步骤是：‎ ‎①摆好实验装置如图7所示．‎ 图7‎ ‎②将质量为200 g的小车拉到打点计时器附近，并按住小车．‎ ‎③在质量为10 g、30 g、50 g的三种钩码中，他挑选了一个质量为50 g的钩码挂在拉线的挂钩P上．‎ ‎④释放小车，打开电磁打点计时器的电源，打出一条纸带．‎ ‎(1)在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条，经测量、计算，得到如下数据：‎ ‎①第一个点到第N个点的距离为40.0 cm.‎ ‎②打下第N点时小车的速度大小为1.00 m/s.该同学将钩码的重力当作小车所受的拉力，算出拉力对小车做的功为__________J，小车动能的增量为__________J.‎ ‎(2)此次实验探究结果，他没能得到“恒力对物体做的功等于物体动能的增量”，且误差很大．显然，在实验探究过程中忽视了各种产生误差的因素．请你根据该同学的实验装置和操作过程帮助分析一下，造成较大误差的主要原因是：________________________________________________________________________________________________________________________________________________.‎ 11‎ 解析：(1)拉力F＝mg＝0.050×9.8 N＝0.49 N.‎ 拉力对小车做的功 W＝Fl＝0.49×0.400 J＝0.196 J 小车动能的增量 ΔEk＝mv2＝×0.200×1.002 J＝0.100 J.‎ ‎(2)误差很大的可能原因：‎ ‎①小车质量不满足远大于钩码质量，使钩码的重力与小车受到的线的拉力差别较大；‎ ‎②没有平衡摩擦力．‎ 答案：(1)②0.196　0.100‎ ‎(2)①小车质量没有远大于钩码质量；②没有平衡摩擦力；③操作错误，应先放小车后接通电源 探究拓展 ‎9．(2019年江西两校联考)一同学采用如图8所示的装置进行了有关“探究恒力做功与动能改变的关系”研究的实验．‎ 图8‎ a．按图8把实验器材安装好，不挂配重，反复移动垫木直到小车做匀速直线运动；‎ b．把细线系在小车上并绕过定滑轮悬挂质量为100 g的配重，接通电源，放开小车，电火花计时器在被小车带动的纸带上打下一系列点．从某点A开始，‎ 11‎ 此后在纸带上每隔4个点取一个计数点，依次标为B、C、D、…；‎ c．测量出B、C、D、…各点与A点的距离，分别记为x1、x2、x3、…；‎ d．用配重受到的重力分别乘以x1、x2、x3、…，得到配重重力所做的功W1、W2、W3、…；(重力加速度g＝9.80 m/s2)‎ e．求出B、C、D、…各点的速度大小，分别记为v1、v2、v3、…，再求出它们的平方v12、v22、v32、…；‎ f．用纵坐标表示速度的平方v2，横坐标表示配重重力所做的功W，作出v2－W图象，并在图象中描出(Wi，vi2)坐标点，再连成图线；(以下计算保留到小数点后两位)‎ ‎(1)在步骤d中，该同学测得x4＝40.00 cm，则配重重力所做的功W4＝________J；‎ ‎(2)该同学得到的v2－W图象如图9所示．通过图象可知，打A点时对应小车的速度v0 ＝______m/s；‎ ‎(3)小车的质量M＝________kg.‎ 图9‎ 解析：(1)配重重力做功为W＝mgx4＝0.1×9.8×0.4≈0.39 J ‎(2)由图可知，纵轴截距对应的就是打A点速度的平方，因此有：vA2＝0.25 m/s2，所以vA＝0.5 m/s ‎(3)由动能定理W＝mvA2＝mv02，可知vt2＝v02＋，所以图象的斜率k＝代入数据m＝0.30 kg.‎ 11‎ 答案：(1)0.39　(2)0.50(0.45～0.55)‎ ‎(3)0.30(0.29～0.31)‎ 11‎