专题05探究动能定理顶峰相见2024年高考物理实验培优突破原卷版

专题05探究动能定理1.通过实验探究力对物体做功与物体速度变化的关系.2.通过分析论证和实验探究的过程，培养实验探究能力和创新精神.【实验目的】探究功与物体速度变化的关系。【实验原理】(1)一根橡皮筋作用在小车上移动距离s——做功为W。(2)两根橡皮筋作用在小车上移动距离s——做功应为2W。(3)三根橡皮筋作用在小车上移动距离s——做功应为3W。(4)利用打点计时器求出小车离开橡皮筋的速度，列表、作图，由图象可以确定速度变化与功的关系。【实验器材】橡皮筋、小车、木板、打点计时器、纸带、铁钉等。【实验步骤】(1)垫高木板的一端，平衡摩擦力；(2)拉伸的橡皮筋对小车做功：①用一条橡皮筋拉小车做功W；②用两条橡皮筋拉小车做功2W；③用三条橡皮筋拉小车做功3W；(3)测出每次做功后小车获得的速度；(4)分别用各次实验测得的v和W绘制Wv或Wv²、Wv³、……图象，直到明确得出W和v的关系。【实验结论】物体速度v与外力做功W间的关系。1.实验注意事项(1)将木板一端垫高，使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡，方法是轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否做匀速运动，找到长木板的一个合适的倾角。(2)测小车速度时，应选纸带上的点均匀的部分，也就是选小车做匀速运动的部分。(3)橡皮筋应选规格一样的，力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可，不必计算出具体数值。(4)小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些。2.实验探究的技巧与方法(1)不直接计算W和v的数值，而只是看第2次、第3次……实验中的W和v是第1次的多少倍，简化数据的测量和处理.(2)做wv图象，或Wv²、Wv³图象，直到作出的图象是一条倾斜的直线。考向一实验原理与实验操作【例题1】某实验小组采用如图所示的装置探究“动能定理”，图中小车中可放置砝码，实验中，小车碰到制动装置时，钩码尚未到达地面，打点计时器工作频率为50Hz。（1）实验的部分步骤如下：①在小车中放入砝码，把纸带穿过打点计时器，连在小车后端，用细线连接小车和钩码；②将小车停在打点计时器附近，接通电源，释放小车，小车拖动纸带，打点计时器在纸带上打下一列点，断开开关；③改变钩码或小车中砝码的数量，更换纸带，重复②的操作。（2）图1是钩码质量为0.03kg，砝码质量为0.02kg时得到的一条纸带，在纸带上选择起始点O及A、B、C、D和E五个计数点，可获得各计数点到O的距离x及对应时刻小车的瞬时速度v，测量结果在表1中的相应位置。表1纸带的测量结果测量点00.000.35A1.510.40B3.200.45C5.080.49D7.150.54E9.410.60（3）在小车的运动过程中，对于钩码、砝码和小车组成的系统，做正功，小车所受摩擦阻力做负功。（4）实验小组根据实验数据绘出了图2中的图线（其中），根据图线可获得的直接结论是。（5）要验证“动能定理”，还需要测量的物理量是摩擦力和。考向二数据处理与误差分析【例题2】某同学用如图所示的实验装置来验证动能定理。实验过程如下：（1）该同学先用图甲所示装置，测滑块与长木板间的滑动摩擦力f，把弹簧测力计的一端固定在墙上，用力F水平向左拉放在水平面上的长木板，使长木板向左运动，此时测力计的示数稳定，则：①为了测出滑块与长木板之间的滑动摩擦力的大小，下列操作中正确的是；A．长木板作匀速直线运动B．长木板作匀加速直线运动C．长木板作变加速直线运动D．以上运动均可以②滑块受到长木板的滑动摩擦力f的大小为N。（2）如图乙所示，将图甲中的长木板装上定滑轮平放在水平实验台上，调节定滑轮的高度，使拉滑块的细线与长木板平行。由静止释放滑块，打点计时器打出的纸带如图丙所示，O点为刚释放钩码时打下的点，A、B、C、D是四个连续点，各点与O点间的距离在图中已标出，在打出此纸带的过程中，力传感器的示数为F，打点计时器所用交流电的周期为T，测得滑块的质量为M，钩码和力传感器的总质量为m，重力加速度为g。则：①该实验（选填“需要”或“不需要”）钩码质量远小于滑块质量；②打下C点时，钩码的速度为；此时，如果表达式[用（1）、（2）题中物理量字母表示]成立，即可验证动能定理。考向三实验拓展与创新【例题3】将位移传感器和速度传感器获得的数据同时输入计算机，可一次性直接得到位移和速度的关系图像。为了探究动能定理，科技小组设计了如图（a）所示装置，让铁块从倾角为θ的斜面上某位置由静止开始下滑，通过位移传感器测定铁块到传感器的距离l，用速度传感器测定与l对应位置铁块的速度，在计算机中得到如图（b）的曲线图像，曲线在（0，a）处的切线斜率为零，在（b，0）处的切线斜率大小为k，重力加速度为g。(1)根据图（b）及已知量，可知下列说法正确的是。A．x是铁块到传感器的距离l，y是铁块的速度vB．y是铁块到传感器的距离l，x是铁块的速度vC．若铁块质量为m，则铁块下滑过程中所受合力大小为F＝D．若铁块质量为m，则铁块下滑过程中所受合力大小为F＝(2)在计算机中重新设置位移与速度的函数关系，让计算机绘出的x­v2图像是一条斜率为k0的直线，则铁块与斜面间的动摩擦因数μ＝。1．某实验小组利用如图甲所示的装置做“探究加速度与合外力关系”实验。当地的重力加速度为g，滑块和遮光条的总质量为M。（1）为了使滑块受到的合外力近似等于钩码的重力，下列不必要的操作是（单选）。A．平衡摩擦力

B．调节气垫导轨水平C．调节牵引滑块的细线水平

D．使钩码质量远小于滑块质量（2）先用游标卡尺测量遮光条的宽度d，如图乙所示，则d=mm。（3）按正确的操作，接通气源，将滑块由A点静止释放（A点到光电门的距离为x），记录钩码的质量及滑块通过光电门时遮光条遮光时间，改变悬挂钩码的质量进行多次实验，每次滑块均从A点由静止释放，实验测得多组钩码的质量m及对应的遮光条遮光时间t，则滑块经过光电门时的瞬时速度v=，作出图像，如果图像是一条过原点的倾斜直线，图像的斜率k=，则表明质量一定时，加速度与合外力成正比（用实验中已知量和所测物理量的符号表示）。（4）若用此实验过程验证滑块和钩码系统的动能定理，只要验证表达式成立即可（用实验中已知量和所测物理量的符号表示）。2．某实验小组用如图所示的装来验证系统的动能定理，当地的重力加速度为g，主要实验步骤如下：A．用天平测量滑块与遮光条的总质量M以及钩码的质量m，调节气垫导轨成水平状态；B．将带有遮光条的滑块放在气垫导轨上，用跨过光滑定滑轮的细线拴接滑块和钩码，调节细线；C．将滑块由气垫导轨的左侧某个位置由静止释放，通过刻度尺读出释放点与光电门之间的距离L以及遮光条通过光电门的挡光时间；D．重复上述实验步骤得出多组实验数据．（1）下列说法正确的是（填标号）；A．实验过程中，钩码的重力做的功等于绳对滑块的拉力做的功B．需要调节细线与气垫导轨成平行状态C．为了完成该实验，还需要测量挡光片从释放点到光电门处的运动时间（2）若测得挡光条的宽度为d，则滑块经过光电门的瞬间速度为；（3）以为纵轴、以为横轴，当绘出的函数图像的斜率，就能验证系统的动能定理。3．在物理学研究中，通过理论推导得出的结论，常常还要经过实验的证明和实践的检验。某实验小组利用如图甲所示的装置进行实验来验证动能定理。（1）实验时，（填“需要”或“不需要”）平衡摩擦力。（2）关于该实验，下列说法正确的一项是（填标号）。A．为减小误差，实验中一定要保证和砂桶的总质量远小于小车的质量B．若选用电火花打点计时器，则应选用6V的直流电源C．开始时小车靠近打点计时器放置，先接通电源，再由静止释放小车，打出纸带，同时记录力传感器的示数D．需要用天平测出砂和砂桶的总质量（3）某次实验时，小车的质量为，砂和砂桶的总质量为，力传感器的示数为，得到如图乙所示的无漏点纸带，O点是释放小车瞬间打下的点，已知打点计时器所接电源的打点周期为。打点计时器打下B点时小车的动能为（用题干及图乙中测得的部分物理量表示）；从打点计时器打下O点到打点计时器打下B点，细线的拉力对小车做的功为（用题干及图乙中测得的部分物理量表示）。在误差允许的范围内，若由实验得到，则动能定理得到验证。4．实验室提供如图所示的气垫导轨和光电门组合实验装置，并有天平、螺旋测微器、细线、力传感器等辅助器材。某实验小组利用该装置及辅助器材来探究合外力做功与物体动能变化之间的关系，已知实验时光电门1和光电门2测出遮光条通过它们的时间分别为和。请回答下列问题：（1）用螺旋测微器测量遮光条宽度d时，其示数如图乙所示，则mm；（2）实验过程中还需要测量的物理量有：两光电门之间的距离L、滑块的质量m和（请写出物理量及对应的字母）；（3）实验得到滑块从光电门1位置运动到光电门2位置过程中合外力做功的表达式为，滑块动能变化量的表式为（用题中相关字母表示）；（4）以下操作步骤可以减小实验误差的有。A．为平衡摩擦力适当垫高导轨右端B．两个光电门之间的距离适当远一些C．遮光条的宽度适当小一些D．换用质量尽量大的滑块5．某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“动能定理”，如图，他们将拉力传感器固定在小车上，用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连，用拉力传感器记录小车受到拉力的大小．在水平桌面上相距50.0cm的A、B两点各安装一个速度传感器记录小车通过A、B时的速度大小。小车中可以放置砝码。(1)实验主要步骤如下：①测量和拉力传感器的总质量M1；把细线的一端固定在拉力传感器上另一端通过定滑轮与钩码相连；正确连接所需电路；②将小车停在C点，，小车在细线拉动下运动，记录细线拉力及小车通过A、B时