實驗05 探究功與速度變化的關系2022年高考物理實驗專題精講精練（解析版）

1、實驗05探究功與速度變化的關系（解析版）1.實驗原理(1)改變功的大小:采用如圖所示的實驗裝置,用1條、2條、3條規(guī)格同樣的橡皮筋將小車拉到同一位置由靜止釋放,橡皮筋拉力對小車所做的功依次為W、2W、3W、。(2)確定速度的大小:小車獲得的速度v可以由紙帶和打點計時器測出,也可以用其他方法測出。(3)尋找功與速度變化的關系:以橡皮筋拉力所做的功W為縱坐標,小車獲得的速度v為橫坐標,作出W-v、W-v或W-v2等圖象。分析圖象,得出橡皮筋拉力對小車所做的功與小車獲得的速度的關系。2.實驗器材小車(前面帶小鉤)、長木板(兩側適當的對稱位置釘兩個鐵釘)、打點計時器及紙帶、學生電源及導線、若干條等長的

2、橡皮筋、毫米刻度尺。3.實驗步驟(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用一條橡皮筋拉小車做功W;用兩條橡皮筋拉小車做功2W;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v。(4)分別用各次實驗測得的v和W繪制W-v、W-v、W-v2或W-v3等圖象,直到明確得出W和v的關系。4.數據分析(1)求小車速度實驗獲得如圖所示紙帶,利用紙帶上點跡均勻的一段測出兩點間的距離,如紙帶上A、C兩點間的距離x,則v=x2T(其中T為打點周期)。(2)計算W、2W、3W、時對應v、v2的數值,填入下面表格。W2W3W4W5Wvv2(3)作圖象在坐標紙上分別作出 W-v 和

3、 W-v2圖線,從中找出功與速度變化的關系。5.注意事項(1)平衡摩擦力:將木板一端墊高,使小車重力沿斜面向下的分力與摩擦阻力平衡。檢驗方法是輕推小車,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。(2)選點測速:測小車速度時,紙帶上的點應選均勻部分的,也就是選小車做勻速運動時打下的點。(3)橡皮筋的選擇:橡皮筋規(guī)格相同時,力對小車做的功以一條橡皮筋做的功為單位即可,不必計算出具體數值?！镜淅?】如圖甲所示是某研究性學習小組做“探究橡皮筋做功和物體速度變化的關系”的實驗,圖中是小車在一條橡皮筋作用下彈出并沿木板滑行的情形。這時,橡皮筋對小車做的功記為W。當我們把2條、3條完全相同

4、的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次實驗時,每次橡皮筋都拉伸到同一位置釋放。小車在每次實驗中獲得的速度由打點計時器所打出的紙帶測出。(1)除了圖中已給出的實驗器材外,還需要的測量器材有。 (2)平衡摩擦力后,每次實驗得到的紙帶上的點并不都是均勻的,為了測量小車獲得的速度,應選用紙帶的部分進行測量。 (3)下面是本實驗的數據記錄表,請將第2次、第3次實驗中橡皮筋做的功填寫在對應的位置。橡皮筋做的功10個間距的距離x/m10個間距的時間T/s小車獲得的速度vn/(m·s-1)小車速度的平方vn2/(m2·s-2)第1次W0.2000.2第2次0.2800.2第

5、3次0.3400.2第4次0.4000.2第5次0.4500.2(4)從理論上講,橡皮筋做的功Wn和物體速度vn變化的關系應是Wn,請你根據表中測定的數據在如圖乙所示的坐標系中作出相應的圖象驗證理論的正確性。 【解析】(1)計算小車速度需要測量紙帶上的點間的距離,要用刻度尺。(2)小車勻速運動時,紙帶上的點的間隔均勻。(3)橡皮筋每增加一條,對小車做的功就增加W。(4)縱坐標表示速度的平方,橫坐標表示功,利用描點法描出各組數據對應的點,然后用平滑曲線連線作出vn2-Wn圖象,如圖丙所示。丙【答案】(1)刻度尺(2)點距均勻(3)2W3W4W5W(4)vn2如圖丙所示【針對訓練1】某學

6、習小組做“探究合力的功和物體速度變化的關系”的實驗,圖甲中小車是在1條橡皮筋作用下彈出,沿木板滑行,這時橡皮筋對小車做的功記為W。當用2條、3條完全相同的橡皮筋并在一起進行第2次、第3次實驗時,使每次實驗中橡皮筋伸長的長度都保持一致。每次實驗中小車獲得的速度由打點計時器所打的紙帶測出。(1)除了圖甲中已有的實驗器材外,還需要導線、開關、(填測量工具)和(選填“交流”或“直流”)電源。 (2)實驗中,小車會受到摩擦阻力的作用,可以使木板適當傾斜來平衡摩擦阻力,則下列操作正確的是()。A.放開小車,能夠自由下滑即可B.放開小車,能夠勻速下滑即可C.放開拖著紙帶的小車,能夠自由下滑即可D.

7、放開拖著紙帶的小車,能夠勻速下滑即可(3)若木板水平放置,小車在兩條橡皮筋作用下運動,當小車速度最大時,關于橡皮筋所處的狀態(tài)與小車所在的位置,下列說法正確的是()。A.橡皮筋處于原長狀態(tài)B.橡皮筋仍處于伸長狀態(tài)C.小車在兩個鐵釘的連線處D.小車已過兩個鐵釘的連線處(4)在正確操作情況下,打在紙帶上的點并不都是均勻的,為了測量小車獲得的速度,應選用圖乙中紙帶的部分進行測量。 【解析】(1)為測量小車獲得的速度,必須用刻度尺來測量紙帶上點和點之間的距離;打點計時器必須使用交流電源。(2)平衡摩擦力時,也要平衡掉紙帶與限位孔之間的摩擦力。根據平衡狀態(tài)的特點,小車做勻速運動時證明平衡掉了摩擦

8、力。(3)若木板水平放置,則未平衡摩擦力。小車速度最大時,也就是加速度為零的時刻,即橡皮筋對小車的作用力等于小車受到的摩擦力的時刻,此時橡皮筋處于伸長狀態(tài),小車還未到兩個鐵釘的連線處,B項正確。(4)應該選用紙帶上小車做勻速運動的部分進行測量,此時小車的速度最大,即GK部分。【答案】(1)刻度尺交流(2)D(3)B(4)GK【典例2】利用如圖甲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M=200.0 g,鉤碼的質量m=10.0 g,打點計時器所用的電源為50 Hz的交流電。甲(1)掛鉤碼前,為了平衡摩擦力,應調節(jié)木板右側的高度,直至向左輕推小車觀察到。 (2)掛上鉤碼

9、,按實驗要求打出的一條紙帶如圖乙所示。選擇某一點為0,依次每隔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x,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。 乙 (3)將鉤碼的重力視為小車受到的拉力,取g=9.80 m/s2,利用W=mgx算出拉力對小車做的功W。利用Ek=12Mv2算出小車動能,并求出動能的變化量Ek。計算結果見下表。W/(×10-3J)2.452.923.353.814.26Ek/(×10-3 J)2.312.733.123.614.00請根據表中的數據,在圖丙中作出Ek-W圖象。丙 (

10、4)實驗結果表明,Ek總是略小于W。某同學猜想是由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=N(結果保留2位有效數學)。  【解析】 (1)小車處于平衡狀態(tài),故它被輕推后能做勻速直線運動(打出的紙帶點距均勻)。(2)v1=x1+x22T=0.228 m/s。(4)鉤碼受力如圖丁所示根據牛頓第二定律得mg-F=ma小車所受合力的大小等于F,再由牛頓第二定律得F=Ma聯(lián)立解得F=MmgM+m0.093 N。丁 【答案】 (1)小車做勻速直線運動(打出的紙帶點距均勻)(2)0.228(3)如圖戊所示(4)0.093戊【針對訓練2】用如圖所示的裝置

11、測量彈簧的彈性勢能。將彈簧放置在水平氣墊導軌上,左端固定,彈簧處于原長時右端在O點;在O點右側的B、C位置各安裝一個光電門,計時器(圖中未畫出)與兩個光電門相連。先用米尺測得B、C兩點間距離s,再用帶有遮光片的滑塊壓縮彈簧到某位置A,由靜止釋放,計時器顯示遮光片從B到C所用的時間為t,用米尺測量A、O之間的距離x。 (1)計算滑塊離開彈簧時速度大小的表達式是。 (2)為求出彈簧的彈性勢能,還需要測量。 A.彈簧原長B.當地重力加速度C.滑塊(含遮光片)的質量(3)增大A、O之間的距離x,計時器顯示的時間t將。 A.增大B.減小C.不變【解析】(1)滑塊離開彈簧后做

12、勻速直線運動,故v=st。(2)彈簧的彈性勢能全部轉化成了滑塊的動能,所以還需要測量滑塊(含遮光片)的質量,C項正確。(3)增大A、O之間的距離x,滑塊獲得的動能增大,速度增大,故計時器顯示的時間t將減小,B項正確?！敬鸢浮?1)v=st(2)C(3)B【典例3】用如圖甲所示的裝置來探究功和動能變化的關系。木板上固定兩個完全相同的遮光條A、B,將木板用不可伸長的細線繞過兩個滑輪與彈簧測力計C相連,木板放在安裝有定滑輪和光電門的軌道D上,軌道放在水平桌面上,P為小桶(內有沙子),滑輪質量、摩擦不計,重力加速度為g。(1)實驗中軌道應傾斜一定角度,這樣做。 A.是為了釋放木板后,木板能勻

13、加速下滑B.是為了增大木板下滑的加速度C.可使得細線拉力做的功等于合力對木板做的功D.可使得木板在未施加拉力時能勻速下滑(2)用游標卡尺測量遮光條的寬度,如圖乙所示,則遮光條的寬度d=cm。 (3)實驗主要步驟如下:測量木板、遮光條的總質量M,測量兩遮光條之間的距離L;按甲圖正確連接器材。將木板左端與軌道左端對齊,由靜止釋放木板,木板在細線的拉力下運動,記錄彈簧測力計示數F及遮光條B、A先后經過光電門的時間t1、t2,則遮光條B、A通過光電門的過程中木板動能的變化量Ek=,合外力對木板做功W=。(用字母M、t1、t2、d、L、F表示) 在小桶中增加沙子,重復的操作。比較W、

14、Ek的大小,得出實驗結論。(4)若在本實驗中軌道水平放置,其他條件和實驗步驟不變,假設木板與軌道間的動摩擦因數為,測得多組F、t1、t2的數據,并得到F與1t22-1t12的關系圖象如圖丙所示,已知圖象在縱軸上的截距為b,直線的斜率為k,則=(用字母b、d、L、k、g表示)。 【解析】(1)軌道略微傾斜是為了平衡摩擦力,使木板在不受拉力的情況下做勻速直線運動,木板連上細繩后拉力等于其受到的合力,細線的拉力對木板做的功等于合力對木板做的功,故C、D兩項正確。(2)游標卡尺的讀數先讀出主尺的刻度數為1 mm,游標尺的刻度第14個刻度與上邊的刻度對齊,所以游標尺的讀數為0.05×

15、14 mm=0.70 mm,總讀數為1 mm+0.70 mm=1.70 mm=0.170 cm。(3)遮光條B通過光電門時的速度vB=dt1,遮光條A通過光電門時的速度vA=dt2,則Ek=12MvA2-12MvB2=Md221t22-1t12。光滑的滑輪兩端的細繩拉力處處相同,彈簧測力計的示數顯示的是細繩的拉力F,即木板所受的合外力,故W=FL。(4)當軌道水平放置時,對小車由動能定理有(F-Mg)L=Md221t22-1t12,解得F=Md22L1t22-1t12+Mg,結合F與1t22-1t12的關系圖象可知斜率k=Md22L,縱軸截距b=Mg,聯(lián)立解得=bMg=bd22kgL?！敬鸢浮?/p>

16、(1)CD(2)0.170(3)Md221t22-1t12FL(4)bd22kgL【針對訓練3】圖甲是某同學驗證動能定理的實驗裝置。實驗步驟如下:a.易拉罐內盛上適量細沙,用輕繩通過滑輪連接在小車上,小車連接紙帶。合理調整木板傾角,讓小車沿木板勻速下滑。b.取下輕繩和易拉罐,測出易拉罐和細沙的總質量m及小車質量M。c.取下輕繩和易拉罐后,換一條紙帶,讓小車由靜止釋放,打出的紙帶如圖乙所示(中間部分未畫出),O為打下的第一點。已知打點計時器的打點頻率為f,重力加速度為g。(1)步驟c中小車所受的合力為。 (2)為驗證OC過程中小車合力做功與小車動能變化的關系,測出BD間的距離為x0,O

17、C間距離為x1,則打C點時小車的速度為,需要驗證的關系式為(用所測物理量的符號表示)。 【解析】(1)由步驟a、b知,取下輕繩和易拉罐后,小車所受合力F合=mg。(2)vC=xBD2T=fx02由動能定理知,需驗證mgx1=12MvC2=Mf2x028。【答案】(1)mg(2)x0f2mgx1=Mx02f28【典例4】如圖所示,某同學在較光滑的水平桌面上利用平拋運動來探究功與速度變化的關系。小物塊在橡皮筋的作用下彈出,沿水平桌面滑行,之后平拋落至水平地面上,落點記為M1;在釘子上分別套上2條、3條、4條同樣的橡皮筋,使每次橡皮筋拉伸的長度都保持一致,重復步驟,小物塊落點分別記為M2、

18、M3、M4、;測量相關數據,進行數據處理。(1)為了粗略求出小物塊拋出時的動能,需要下列測量儀器中的(填正確答案標號)。 A.秒表B.卷尺C.天平D.游標卡尺(2)將幾次實驗中橡皮筋對小物塊做的功分別記為 W1、W2、W3、小物塊拋出點到落地點的水平距離分別記為L1、L2、L3、若功與速度的二次方成正比,則應以W為縱坐標、為橫坐標作圖,才能得到一條直線;若此直線的斜率為k,同時已知物塊質量m和桌面到地面的高度h,則由此實驗還可以得出重力加速度g=。 (3)此實驗既有“偶然誤差”又有“系統(tǒng)誤差”,請各舉一例。偶然誤差:;系統(tǒng)誤差:。 【解析】(1)小物塊離開桌面后做

19、平拋運動,根據桌面到地面的高度h=12gt2,可計算出平拋運動的時間,再根據小物塊拋出點到落地點的水平距離L=v0t,可知要計算出小物塊離開桌面時的速度,需要用卷尺量出桌面到地面的高度和落地點的水平距離,根據動能的表達式Ek=12mv02可知,還需要知道小物塊的質量,所以還需要天平,B、C兩項正確。(2)根據h=12gt2和L=v0t,可得v02=g2L2,因為功與速度的二次方成正比,所以功與L2成正比,故應以W為縱坐標、L2為橫坐標作圖,才能得到一條直線。因為W=12mg2L2,所以k=mg4,得g=4km。(3)小物塊與桌面之間的摩擦不能忽略,由此引起的誤差屬于系統(tǒng)誤差;由測量桌面到地面的

20、高度和落地點的水平距離引起的誤差屬于偶然誤差?！敬鸢浮?1)BC(2)L24km(3)見解析【針對訓練4】某物理小組對輕彈簧的彈性勢能進行探究,實驗裝置如圖甲所示:輕彈簧放置在光滑水平桌面上,彈簧左端固定,右端與一物塊接觸而不連接,紙帶穿過打點計時器并與物塊連接。向左推物塊使彈簧壓縮一段距離,由靜止釋放物塊,通過測量和計算,可求得彈簧被壓縮后的彈性勢能。甲(1)實驗中涉及下列操作步驟:把紙帶向左拉直松手釋放物塊接通打點計時器電源向左推物塊使彈簧壓縮,并測量彈簧壓縮量上述步驟正確的操作順序是(填入代表步驟的序號)。 (2)圖乙中M和L紙帶是分別把彈簧壓縮到不同位置后所得到的實際打點結果

21、。打點計時器所用交流電的頻率為50 Hz。由M紙帶所給的數據,可求出在該紙帶對應的實驗中物塊脫離彈簧時的速度為m/s。比較兩紙帶可知,(選填“M”或“L”)紙帶對應的實驗中彈簧被壓縮后的彈性勢能大。 乙【解析】(1)實驗時首先向左推物塊使彈簧壓縮,測量出彈簧壓縮量,然后把紙帶向左拉直,先接通打點計時器電源,待打點穩(wěn)定后,再松手釋放物塊,故正確的操作順序是。(2)物塊脫離彈簧后將在光滑水平桌面上做勻速直線運動,由M紙帶可知物塊脫離彈簧時的速度v=xt=(2.58+2.57)×10-22×0.02 m/s1.29 m/s。比較M、L兩紙帶,物塊脫離彈簧后在相同時間內的

22、位移M的比L的大,則M紙帶對應的那次實驗中物塊在脫離彈簧后的速度大,即M紙帶對應的實驗中彈簧被壓縮后的彈性勢能大。【答案】(1)(2)1.29M【典例5】某同學利用圖1中的實驗裝置探究機械能變化量與力做功的關系，所用器材有：一端帶滑輪的長木板、輕細繩、的鉤碼若干、光電門2個、數字計時器、帶遮光條的滑塊（質量為，其上可放鉤碼）、刻度尺，當地重力加速度為，實驗操作步驟如下：安裝器材，調整兩個光電門距離為，輕細繩下端懸掛4個鉤碼，如圖1所示；接通電源，釋放滑塊，分別記錄遮光條通過兩個光電門的時間，并計算出滑塊通過兩個光電門的速度；保持最下端懸掛4個鉤碼不變，在滑塊上依次增加一個鉤碼，記錄滑塊上所載鉤

23、碼的質量，重復上述步驟；完成5次測量后，計算出每次實驗中滑塊及所載鉤碼的總質量M、系統(tǒng)（包含滑塊、滑塊所載鉤碼和輕細繩懸掛鉤碼）總動能的增加量及系統(tǒng)總機械能的減少量，結果如下表所示：0.2000.2500.3000.3500.4000.5820.4900.3920.2940.1950.3930.4900.6860.785回答下列問題：（1）實驗中輕細繩所懸掛鉤碼重力勢能的減少量為_J（保留三位有效數字）；（2）步驟中的數據所缺數據為_；（3）若M為橫軸，為縱軸，選擇合適的標度，在圖2中繪出圖像_；若系統(tǒng)總機械能的減少量等于克服摩擦力做功，則物塊與木板之間的摩擦因數為_（保留兩位有效數字）【答案

24、】 (1). 0.980 (2). 0.588 (3). (4). 0.40（0.380.42）【解析】（1）1四個鉤碼重力勢能的減少量為（2）2對滑塊和鉤碼構成的系統(tǒng)，由能量守恒定律可知其中系統(tǒng)減少的重力勢能為系統(tǒng)增加動能為系統(tǒng)減少的機械能為，則代入數據可得表格中減少的機械能為（3）3根據表格數據描點得的圖像為4根據做功關系可知則圖像的斜率為解得動摩擦因數為（0.380.42）【針對訓練5】某乒乓球愛好者，利用手機研究乒乓球與球臺碰撞過程中能量損失的情況。實驗步驟如下：固定好手機，打開錄音功能；從一定高度由靜止釋放乒乓球；手機記錄下乒乓球與臺面碰撞的聲音，其隨時間（單位：s）的變化圖像如圖所示。根據聲音圖像記錄的碰撞次序及相應碰撞時刻，如下表所示。碰撞次序1234567碰撞時刻（