力学专题实验——《探究功与物体速度变化的关系》专项提升

试卷更新日期：2024-09-19 类型：一轮复习

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一、典型例题 方法赏析

  • 1. 如图所示，是某学习小组做探究“功与速度变化关系”的实验装置示意图，图中小车是在一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。再用2条、3条，完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次重复实验。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)、下列叙述正确的是（ ）
    A、实验中长木板应保持水平 B、每次实验中，橡皮筋拉伸的长度必需保持一致 C、每次实验必须设法算出橡皮筋对小车做功的具体数值 D、实验中应先接通打点计时器，再让小车在橡皮筋的作用下弹出
    (2)、在正确操作情况下，打在纸带上的点并不是均匀的(如图所示)，为了测量小车获得的速度，应选用纸带的(选填“AE”或“FK”)部分进行测量.

    (3)、处理数据时，以第一次实验时橡皮筋做的功W为单位，作出W−v图象，下列哪一个是符合正确实验操作条件下实际情况的（ ）
    A、 B、 C、 D、

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  • 2. 某同学为了验证动能定理，设计了以下实验。如图所示，长度为 L 的轻绳一端固定在 O 点，另一端有一个直径为 d ，质量为 m 的小球。在 B 点放有一个光电门，可以测出小球经过光电门的时间 Δt ，现将小球从距 B 点不同高度 h 处由静止释放。

    (1)、动能定理的表达式为（用 d 、 h 、 Δt 、 g 、 m 表示）
    (2)、为了减小实验误差，小球直径 d 应该适当（填“大些”或“小些”），并写出两条原因。
    (3)、若多次从不同高度由静止释放，得到 h 与 1(Δt)2 的关系图，图像斜率为 k ，则当地的重力加速度 g= （用 d 、 k 表示）。

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  • 3. 某实验小组利用如图甲所示的实验装置来探究做功与物体动能变化的关系，当地重力加速度为g．

    (1)该小组成员用游标卡尺测得遮光条(如图乙所示)的宽度d=cm，用天平测得滑块与遮光条的总质量为M、钩码的质量为m．

    (2)实验前需要调节气垫导轨使之水平，实验时将滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间△t=1.2×10-2s，则滑块经过光电门时的瞬时速v=m/s(结果保留两位有效数字).

    (3)在本次实验中为了确保细线拉力所做的功与钩码重力做的功近似相等，则滑块与遮光条的总质量M与钩码的质量m间应满足 ， 本实验中还需要测量的物理量是(用文字说明并用相应的字母表示)．

    (4)本实验中可通过改变钩码的质量测得多组数据并作出1(Δt)2-m图象来进行探究，则下列图象中符合真实实验情况的是 ．

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二、夯实基础 提升能力

  • 4. 某同学做“探究合外力做功与动能改变的关系”实验，装置如图甲所示，将光电门固定在水平轨道上的B点，用重物通过细线拉小车，保持小车（含遮光条）质量M不变，改变所挂重物质量m多次进行实验，使小车每次都从同一位置A由静止开始运动。已知AB间距离为L，遮光条的宽度为d，重力加速度g取10m/s2。

    (1)、测出多组重物质量m和相应小车经过光电门时的速度v，实验中认为小车所受拉力与重物重力大小相等，则M和m应该满足的条件是；
    (2)、作出了v2−m图像如图乙所示，由图像可知小车受到的摩擦力大小为N（结果保留1位有效数字）；
    (3)、在满足（1）中的条件下，v2−m图像是线性变化的，说明合外力做的功等于动能的改变，此时图像的斜率k的表达式为k=（用题中所给物理量的字母表示）。

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  • 5. 某实验小组利用图1的装置探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系，已知滑块的总质量为m，遮光片的宽度为d，实验过程如下：

    A.打开气源，将滑块置于气垫导轨上，调节气垫导轨水平；

    B.将一根橡皮筋一端固定在滑块上，另一端固定在气垫导轨右端的立柱上；

    C.拉伸橡皮筋，将滑块自气垫导轨上某一位置P点由静止释放，滑块上的遮光片通过光电门时测得遮光时间为Δt1 ， 求出滑块通过光电门的速度为v1 ， 设橡皮筋做的功为W0；

    D．改将2根、3根、4根……n根同样的橡皮筋固定在滑块和气垫导轨右端的立柱上，重复步骤C，算出橡皮筋做的总功，测得遮光时间分别为Δt2、Δt3、Δt4、…、Δtn；

    E．绘制n−1Δt2图像，进行数据分析。

    (1)、v1=；
    (2)、利用计算机绘制的n−1Δt2图像如图2所示，这一图像也可以认为是橡皮筋对滑块做的功（W）与滑块的关系图像；
    (3)、由图2可得，力对原来静止的物体做的功（W）与物体获得的速度（v）的关系为。

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三、思维提升 创新应用

  • 6.  用如图所示装置可进行多个力学实验，根据所学物理知识回答以下问题。

    (1)、下列说法正确的是（　　）
    A、用此装置来“研究匀变速直线运动”时，长木板上表面必须光滑 B、此装置的电磁打点计时器需要220V交流电源。 C、用此装置来“探究加速度a与力F的关系”时，需要平衡摩擦力，且钩码的总质量应远大于小车的质量。 D、用此装置来“验证动量定理”时，需要平衡摩擦力，且钩码的总质量应远小于小车的质量。
    (2)、用该装置“探究动能定理”实验中，得到如图所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为xA、xB、xC。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设重物的质量为m，小车的质量为M，M≫m。从打O点到打B点的过程中，拉力所做的功W= ， 小车动能变化量ΔEk=。

    (3)、多次重复（2）问的实验过程发现，合力做的功总是稍大于动能的增加量，导致这一结果的原因可能是（写出1条可能的原因即可）。

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  • 7. 利用如图1所示的装置可以做力学中的一些实验，已知交流电的频率为f，小车质量为M，钩码质量为m．

    ①如果利用它来探究物体的加速度与力、质量的关系时，为使小车所受的合外力等于细线的拉力，应该采取的措施是 ， 要使细线的拉力约等于钩码的总重量，应该满足的条件是Mm（填“大于”、“远大于”、“小于”或“远小于”）．

    ②在满足了小车所受的合外力等于细线的拉力的条件下，且使细线的拉力等于钩码的总重量，如果利用它来探究外力做功与动能的关系时得到的纸带如图2所示．O为小车开始运动打下的第一点，A、B、C为过程中的三个相邻的计数点，相邻的计数点之间有四个点没有标出，有关数据如图2所示，要探究小车运动的动能定理，要满足一个怎样的关系式（用题中的字母符号表示）．

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  • 8. 某实验小组要探究力对物体做功与物体获得速度的关系，选取的实验装置如图甲所示．实验主要步骤如下：

    ①实验时，在未连接橡皮筋时将木板的左端用小木块垫起，不断调整使木板倾斜合适的角度，轻推小车，使小车匀速下滑，这样做的目的是；

    ②使小车在一条橡皮筋的作用下由某位置静止弹出沿木板滑行，橡皮筋对小车做功为W；再用完全相同的2条、3条……橡皮筋同时作用于小车，每次均由静止在（填“相同”或“不同”）位置释放小车，使橡皮筋对小车做的功分别为2W、3W、……

    ③分析打点计时器打出的纸带，分别求出小车每次获得的最大速度v1、v2、v3、……，作出W-v图象，则下列符合实际的图象是（填字母序号）

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  • 9. 如图所示是某同学探究动能定理的实验装置．已知重力加速度为g，不计滑轮摩擦阻力．该同学的实验步骤如下：

    a．将长木板倾斜放置，小车放在长木板上，长木板旁放置两个光电门A和B，砂桶通过滑轮与小车相连．

    b．调整长木板倾角，使得小车恰好能在细绳的拉力作用下匀速下滑．测得砂和砂桶的总质量为m．

    c．某时刻剪断细绳，小车由静止开始加速运动．

    d．测得挡光片通过光电门A的时间为△t1 ， 通过光电门B的时间为△t2 ， 挡光片宽度为d，小车质量为M，两个光电门A和B之间的距离为L．

    e．依据以上数据探究动能定理．

    (1)、根据以上步骤，你认为以下关于实验过程的表述正确的是          ．
    A、实验时，先接通光电门，后剪断细绳 B、实验时，小车加速运动的合外力为F=Mg C、实验过程不需要测出斜面的倾角 D、实验时，应满足砂和砂桶的总质量m远小于小车质量M
    (2)、小车经过光电门A、B的瞬时速度为vA=、vB= ． 如果关系式在误差允许范围内成立，就验证了动能定理．

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四、直击高考 达成素养

  • 10.          
    (1)、用如图所示装置进行“探究功与速度变化的关系”实验。装有砝码的盘用绕过滑轮的细线牵引小车，盘和砝码的重力可当作牵引力。小车运动的位移和速度可以由打点纸带测出，以小车为研究对象，改变砝码质量，便可探究牵引力所做的功与小车速度变化的关系。

    ①关于这个实验，下列说法正确的是；

    A．需要补偿小车受到阻力的影响

    B．该实验装置可以“验证机械能守恒定律”

    C．需要通过调节定滑轮使细线与长木板平行

    D．需要满足盘和砝码的总质量远小于小车的质量

    ②如图2所示是两条纸带，实验时打出的应是第条（填写“I”或“II”）纸带；

    ③根据实验数据，在坐标纸上画出的W-v2图象是一条过原点的直线，据此图象（填“能”或“不能”）求出小车的质量。

    (2)、小明同学在做“测定玻璃的折射率”实验时，发现只有3枚大头针，他把大头针A、B、C插在如图所示位置，并测出了玻璃的折射率。请在答题纸相应方框中画出光路图 ， 标出入射角i和折射角r，并写出折射率n的计算式。

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  • 11. 某同学利用图（a）所示装置验证动能定理。调整木板的倾角平衡摩擦阻力后，挂上钩码，钩码下落，带动小车运动并打出纸带。某次实验得到的纸带及相关数据如图（b）所示。

     

    已知打出图（b）中相邻两点的时间间隔为0.02 s，从图（b）给出的数据中可以得到，打出B点时小车的速度大小vB=m/s，打出P点时小车的速度大小vP=m/s（结果均保留2位小数）。

    若要验证动能定理，除了需测量钩码的质量和小车的质量外，还需要从图（b）给出的数据中求得的物理量为。

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  • 12. 某兴趣小组用如图1所示的装置验证动能定理．

    图1

    (1)、有两种工作频率均为50 Hz的打点计时器供实验选用：

    A ．电磁打点计时器

    B ．电火花打点计时器

    为使纸带在运动时受到的阻力较小，应选择（选填“A”或“B”）．

    (2)、保持长木板水平，将纸带固定在小车后端，纸带穿过打点计时器的限位孔．实验中，为消除摩擦力的影响，在砝码盘中慢慢加入沙子，直到小车开始运动．同学甲认为此时摩擦力的影响已得到消除．同学乙认为还应从盘中取出适量沙子，直至轻推小车观察到小车做匀速运动．看法正确的同学是（选填“甲”或“乙”）．
    (3)、消除摩擦力的影响后，在砝码盘中加入砝码．接通打点计时器电源，松开小车，小车运动．纸带被打出一系列点，其中的一段如图2所示．图中纸带按实际尺寸画出，纸带上A点的速度vA=m/s．

    图2

    (4)、测出小车的质量为M，再测出纸带上起点到A点的距离为L．小车动能的变化量可用ΔEk= 12MvA2 算出．砝码盘中砝码的质量为m，重力加速度为g；实验中，小车的质量应（选填“远大于”“远小于”或“接近”）砝码、砝码盘和沙子的总质量，小车所受合力做的功可用W=mgL算出．多次测量，若W与ΔEk均基本相等则验证了动能定理．

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  • 13. 用如图甲所示装置做“探究做功与物体速度变化的关系”实验。

    图甲

    (1)、除了图甲中已给出的实验器材外，还需要的测量器材是     （填字母）；
    A、秒表 B、天平 C、刻度尺 D、弹簧测力计
    (2)、实验前，要求通过调整长木板的倾角来平衡小 车受到的阻力。可认为阻力已被平衡的方法是   （填字母）；
    A、轻推小车后，小车运动越来越快 B、静止释放小车后，小车仍保持静止 C、静止释放小车后，小车运动越来越快 D、轻推小车后，拖着纸带的小车能缓慢持续下滑
    (3)、有同学根据实验数据得到的图象如图乙所示， 为了能更加直观地确定 W 与 v 之间的关系，应作出图像（填“ W−1v ”、“ W−v2 ”或“ W−1v2 ”）

    图乙

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  • 14.

    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=200.0g，钩码的质量为m=10.0g，打点计时器的电源为50Hz的交流电．

    (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，一次每隔4个计时点取一个计数点．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．

    (3)、将钩码的重力视为小车受到的拉力，取g=9.80m/s2 ， 利用W=mg△x算出拉力对小车做的功W．利用Ek= 12 Mv2算出小车动能，并求出动能的变化量△Ek ． 计算结果见下表．

    W/×10﹣3J

    2.45

    2.92

    3.35

    3.81

    4.26

    △Ek/×10﹣3J

    2.31

    2.73

    3.12

    3.61

    4.00

    请根据表中的数据，在答题卡的方格纸上作出△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据可算出小车受到的实际拉力F= ．

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