2024-2025学年高考物理必考实验专题突破五探究功与速度变化的关系含解析

PAGE2025年高考物理必考试验五：探究功与速度变更的关系1.试验原理(1)变更功的大小:采纳如图所示的试验装置,用1条、2条、3条……规格同样的橡皮筋将小车拉到同一位置由静止释放,橡皮筋拉力对小车所做的功依次为W、2W、3W、…。(2)确定速度的大小:小车获得的速度v可以由纸带和打点计时器测出,也可以用其他方法测出。(3)找寻功与速度变更的关系:以橡皮筋拉力所做的功W为纵坐标,小车获得的速度v为横坐标,作出W-v、W-v或W-v2等图象。分析图象,得出橡皮筋拉力对小车所做的功与小车获得的速度的关系。2.试验器材小车(前面带小钩)、长木板(两侧适当的对称位置钉两个铁钉)、打点计时器及纸带、学生电源及导线、若干条等长的橡皮筋、毫米刻度尺。3.试验步骤(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用一条橡皮筋拉小车——做功W;用两条橡皮筋拉小车——做功2W;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v。(4)分别用各次试验测得的v和W绘制W-v、W-v、W-v2或W-v3等图象,直到明确得出W和v的关系。4.数据分析(1)求小车速度试验获得如图所示纸带,利用纸带上点迹匀称的一段测出两点间的距离,如纸带上A、C两点间的距离x,则v=x2T(其中(2)计算W、2W、3W、…时对应v、v2的数值,填入下面表格。W2W3W4W5Wvv2(3)作图象在坐标纸上分别作出W-v和W-v2图线,从中找出功与速度变更的关系。5.留意事项(1)平衡摩擦力:将木板一端垫高,使小车重力沿斜面对下的分力与摩擦阻力平衡。检验方法是轻推小车,由打点计时器打在纸带上的点的匀称程度推断小车是否做匀速运动。(2)选点测速:测小车速度时,纸带上的点应选匀称部分的,也就是选小车做匀速运动时打下的点。(3)橡皮筋的选择:橡皮筋规格相同时,力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可,不必计算出详细数值。【最新高考真题解析】1.（2024年全国III卷）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。某次试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0.02s，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，除了需测量钩码质量和小车的质量外，还须要从图（b）给出的数据中求得的物理量为_________。【答案】(1).0.36(2).1.80(3).B、P之间的距离【解析】【详解】[1][2]由匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于平均速度[3]验证动能定理须要求出小车运动的过程中拉力对小车做的功，所以还须要测量对应的B、P之间的距离。【典例1】如图甲所示是某探讨性学习小组做“探究橡皮筋做功和物体速度变更的关系”的试验,图中是小车在一条橡皮筋作用下弹出并沿木板滑行的情形。这时,橡皮筋对小车做的功记为W。当我们把2条、3条……完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次……试验时,每次橡皮筋都拉伸到同一位置释放。小车在每次试验中获得的速度由打点计时器所打出的纸带测出。(1)除了图中已给出的试验器材外,还须要的测量器材有。

(2)平衡摩擦力后,每次试验得到的纸带上的点并不都是匀称的,为了测量小车获得的速度,应选用纸带的部分进行测量。

(3)下面是本试验的数据记录表,请将第2次、第3次……试验中橡皮筋做的功填写在对应的位置。橡皮筋做的功10个间距的距离x/m10个间距的时间T/s小车获得的速度vn/(m·s-1)小车速度的平方v/(m2·s-2)第1次W0.2000.2第2次0.2800.2第3次0.3400.2第4次0.4000.2第5次0.4500.2(4)从理论上讲,橡皮筋做的功Wn和物体速度vn变更的关系应是Wn∝,请你依据表中测定的数据在如图乙所示的坐标系中作出相应的图象验证理论的正确性。

【解析】(1)计算小车速度须要测量纸带上的点间的距离,要用刻度尺。(2)小车匀速运动时,纸带上的点的间隔匀称。(3)橡皮筋每增加一条,对小车做的功就增加W。(4)纵坐标表示速度的平方,横坐标表示功,利用描点法描出各组数据对应的点,然后用平滑曲线连线作出vn2-W丙【答案】(1)刻度尺(2)点距匀称(3)2W3W4W5W(4)vn2【针对训练1】某学习小组做“探究合力的功和物体速度变更的关系”的试验,图甲中小车是在1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。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……试验时,使每次试验中橡皮筋伸长的长度都保持一样。每次试验中小车获得的速度由打点计时器所打的纸带测出。(1)除了图甲中已有的试验器材外,还须要导线、开关、(填测量工具)和(选填“沟通”或“直流”)电源。

(2)试验中,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,则下列操作正确的是()。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(3)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处(4)在正确操作状况下,打在纸带上的点并不都是匀称的,为了测量小车获得的速度,应选用图乙中纸带的部分进行测量。

【解析】(1)为测量小车获得的速度,必需用刻度尺来测量纸带上点和点之间的距离;打点计时器必需运用沟通电源。(2)平衡摩擦力时,也要平衡掉纸带与限位孔之间的摩擦力。依据平衡状态的特点,小车做匀速运动时证明平衡掉了摩擦力。(3)若木板水平放置,则未平衡摩擦力。小车速度最大时,也就是加速度为零的时刻,即橡皮筋对小车的作用力等于小车受到的摩擦力的时刻,此时橡皮筋处于伸长状态,小车还未到两个铁钉的连线处,B项正确。(4)应当选用纸带上小车做匀速运动的部分进行测量,此时小车的速度最大,即GK部分。【答案】(1)刻度尺沟通(2)D(3)B(4)GK【典例2】利用如图甲所示的试验装置探究恒力做功与物体动能变更的关系。小车的质量M=200.0g,钩码的质量m=10.0g,打点计时器所用的电源为50Hz的沟通电。甲(1)挂钩码前,为了平衡摩擦力,应调整木板右侧的高度,直至向左轻推小车视察到。

(2)挂上钩码,按试验要求打出的一条纸带如图乙所示。选择某一点为0,依次每隔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Δx,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。

乙(3)将钩码的重力视为小车受到的拉力,取g=9.80m/s2,利用W=mgΔx算出拉力对小车做的功W。利用Ek=12Mv2算出小车动能,并求出动能的变更量ΔEkW/(×10-3J)2.452.923.353.814.26ΔEk/(×10-3J)2.312.733.123.614.00请依据表中的数据,在图丙中作出ΔEk-W图象。丙(4)试验结果表明,ΔEk总是略小于W。某同学猜想是由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=N(结果保留2位有效数学)。

【解析】(1)小车处于平衡状态,故它被轻推后能做匀速直线运动(打出的纸带点距匀称)。(2)v1=x1+x22(4)钩码受力如图丁所示依据牛顿其次定律得mg-F=ma小车所受合力的大小等于F,再由牛顿其次定律得F=Ma联立解得F=MmgM+m丁【答案】(1)小车做匀速直线运动(打出的纸带点距匀称)(2)0.228(3)如图戊所示(4)0.093戊【针对训练2】用如图所示的装置测量弹簧的弹性势能。将弹簧放置在水平气垫导轨上,左端固定,弹簧处于原长时右端在O点;在O点右侧的B、C位置各安装一个光电门,计时器(图中未画出)与两个光电门相连。先用米尺测得B、C两点间距离s,再用带有遮光片的滑块压缩弹簧到某位置A,由静止释放,计时器显示遮光片从B到C所用的时间为t,用米尺测量A、O之间的距离x。(1)计算滑块离开弹簧时速度大小的表达式是。

(2)为求出弹簧的弹性势能,还须要测量。

A.弹簧原长B.当地重力加速度C.滑块(含遮光片)的质量(3)增大A、O之间的距离x,计时器显示的时间t将。

A.增大B.减小C.不变【解析】(1)滑块离开弹簧后做匀速直线运动,故v=st(2)弹簧的弹性势能全部转化成了滑块的动能,所以还须要测量滑块(含遮光片)的质量,C项正确。(3)增大A、O之间的距离x,滑块获得的动能增大,速度增大,故计时器显示的时间t将减小,B项正确。【答案】(1)v=st【典例3】用如图甲所示的装置来探究功和动能变更的关系。木板上固定两个完全相同的遮光条A、B,将木板用不行伸长的细线绕过两个滑轮与弹簧测力计C相连,木板放在安装有定滑轮和光电门的轨道D上,轨道放在水平桌面上,P为小桶(内有沙子),滑轮质量、摩擦不计,重力加速度为g。(1)试验中轨道应倾斜肯定角度,这样做。

A.是为了释放木板后,木板能匀加速下滑B.是为了增大木板下滑的加速度C.可使得细线拉力做的功等于合力对木板做的功D.可使得木板在未施加拉力时能匀速下滑(2)用游标卡尺测量遮光条的宽度,如图乙所示,则遮光条的宽度d=cm。

(3)试验主要步骤如下:①测量木板、遮光条的总质量M,测量两遮光条之间的距离L;按甲图正确连接器材。②将木板左端与轨道左端对齐,由静止释放木板,木板在细线的拉力下运动,记录弹簧测力计示数F及遮光条B、A先后经过光电门的时间t1、t2,则遮光条B、A通过光电门的过程中木板动能的变更量ΔEk=,合外力对木板做功W=。(用字母M、t1、t2、d、L、F表示)

③在小桶中增加沙子,重复②的操作。④比较W、ΔEk的大小,得出试验结论。(4)若在本试验中轨道水平放置,其他条件和试验步骤不变,假设木板与轨道间的动摩擦因数为μ,测得多组F、t1、t2的数据,并得到F与1t22-1t12的关系图象如图丙所示,已知图象在纵轴上的截距为b,直线的斜率为k,则μ=(用字母b、d、【解析】(1)轨道略微倾斜是为了平衡摩擦力,使木板在不受拉力的状况下做匀速直线运动,木板连上细绳后拉力等于其受到的合力,细线的拉力对木板做的功等于合力对木板做的功,故C、D两项正确。(2)游标卡尺的读数先读出主尺的刻度数为1mm,游标尺的刻度第14个刻度与上边的刻度对齐,所以游标尺的读数为0.05×14mm=0.70mm,总读数为1mm+0.70mm=1.70mm=0.170cm。(3)遮光条B通过光电门时的速度vB=dt1,遮光条A通过光电门时的速度vA=dt2,则ΔEk=12MvA2-12MvB(4)当轨道水平放置时,对小车由动能定理有(F-μMg)L=Md221t22-1t12,解得F=Md22L1t【答案】(1)CD(2)0.170(3)Md(4)b【针对训练3】图甲是某同学验证动能定理的试验装置。试验步骤如下:a.易拉罐内盛上适量细沙,用轻绳通过滑轮连接在小车上,小车连接纸带。合理调整木板倾角,让小车沿木板匀速下滑。b.取下轻绳和易拉罐,测出易拉罐和细沙的总质量m及小车质量M。c.取下轻绳和易拉罐后,换一条纸带,让小车由静止释放,打出的纸带如图乙所示(中间部分未画出),O为打下的第一点。已知打点计时器的打点频率为f,重力加速度为g。(1)步骤c中小车所受的合力为。

(2)为验证O→C过程中小车合力做功与小车动能变更的关系,测出BD间的距离为x0,OC间距离为x1,则打C点时小车的速度为,须要验证的关系式为(用所测物理量的符号表示)。

【解析】(1)由步骤a、b知,取下轻绳和易拉罐后,小车所受合力F合=mg。(2)vC=xBD2由动能定理知,需验证mgx1=12MvC2【答案】(1)mg(2)x0f2mgx【典例4】如图所示,某同学在较光滑的水平桌面上利用平抛运动来探究功与速度变更的关系。①小物块在橡皮筋的作用下弹出,沿水平桌面滑行,之后平抛落至水平地面上,落点记为M1;②在钉子上分别套上2条、3条、4条……同样的橡皮筋,使每次橡皮筋拉伸的长度都保持一样,重复步骤①,小物块落点分别记为M2、M3、M4、…;③测量相关数据,进行数据处理。(1)为了粗略求出小物块抛出时的动能,须要下列测量仪器中的(填正确答案标号)。

A.秒表B.卷尺C.天平D.游标卡尺(2)将几次试验中橡皮筋对小物块做的功分别记为W1、W2、W3、…小物块抛出点到落地点的水平距离分别记为L1、L2、L3、…若功与速度的二次方成正比,则应以W为纵坐标、为横坐标作图,才能得到一条直线;若此直线的斜率为k,同时已知物块质量m和桌面到地面的高度h,则由此试验还可以得出重力加速度g=。

(3)此试验既有“偶然误差”又有“系统误差”,请各举一例。偶然误差:;系统误差:。

【解析】(1)小物块离开桌面后做平抛运动,依据桌面到地面的高度h=12gt2,可计算出平抛运动的时间,再依据小物块抛出点到落地点的水平距离L=v0t,可知要计算出小物块离开桌面时的速度,须要用卷尺量出桌面到地面的高度和落地点的水平距离,依据动能的表达式Ek=12mv02可知,还(2)依据h=12gt2和L=v0t,可得v02=g2hL2,因为功与速度的二次方成正比,所以功与L2成正比,故应以W为纵坐标、L2为横坐标作图,才能得到一条直线。因