实验四、探究动能定理（解析版）

这是一份实验四、探究动能定理（解析版），共20页。试卷主要包含了实验步骤，数据处理等内容，欢迎下载使用。
探究动能定理一、    原理：＝ΔEk＝Ek末－Ek初 （一）求解，需要和X      要点一、，但是我们用，一定会有误差，（1）          必须平衡摩擦力  （也叫补偿阻力）  （2）          砂和小桶的总质量要远小于小车和砝码的总质量的 [ ]   要点二、若条件不满足，则原理则需更正没有系统误差 （二）测量初末两点的速度  二、实验器材 小车，砝码，小桶，砂，细线，附有定滑轮的长木板，垫木，打点计时器，低压交流电源，导线两根，纸带，托盘天平及砝码，米尺等。  
三、实验步骤   1.按如图装置把实验器材安装好，只是不把挂重物用的细线系在小车上，即不给小车加牵引力。但是纸带要加上去（解释：避免纸带与打点计时器之间的摩擦）


2.平衡摩擦力: 在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上垫木，反复移动垫木的位置，直至小车在斜面上可以保持匀速直线运动状态(也可以从纸带上打的点是否均匀来判断)。  3、接通电源，释放小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，将打下的第一个点标为O。在纸带上依次取A、B、C……若干个计数点，已知相邻计数点间的时间间隔为T，测得A、B、C……各点到O点的距离为x1、x2、x3……，以及A、B、C的各点的瞬时速度
 4、取计数点到0点的距离为x，计算做功W, 以v2为横坐标，w为纵坐标，作出w—v2图像    
四、数据处理 1、求解某一计数点对应的瞬时速度2、求解做功  （为重物的重力）    3、误差分析   正常（或者未满足重力的质量远小于小车的质量）    倾角过大（平衡摩擦力过度）未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足（倾角过小） 无这种情况出现
1．（2022·辽宁·模拟预测）如图所示，用质量为m的重物通过滑轮牵引小车，使它在长木板上运动，打点计时器在纸带上记录小车的运动情况。利用该装置可以完成“探究动能定理”的实验。 （1）实验中，把长木板右端垫高，平衡摩擦力和其它阻力。在不挂重物且_____（选填选项前的字母）的情况下，轻推一下小车。若小车拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响。A．计时器不打点             B．计时器打点（2）接通电源，释放小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，将打下的第一个点标为O。在纸带上依次取A、B、C……若干个计数点，已知相邻计数点间的时间间隔为T，测得A、B、C……各点到O点的距离为x1、x2、x3……如图所示。实验中，重物质量远小于小车质量，可认为小车所受的拉力大小为mg，从打O点到打B点的过程中，拉力对小车做的功W=_____，打B点时小车的速度v=_____。（3）假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响，若重物质量不满足远小于小车质量的条件，则从理论上分析，图中正确反映v2-W关系的是_____；若v2-W图线直线部分的斜率为k，则从理论上分析可知小车的质量为_____。A．       B．       C．       D． 
2．（2022·浙江衢州·二模）图1为“探究做功与物体速度变化的关系”的实验装置。以小车为研究对象，小车运动的位移和速度可以由打点纸带测出，功的具体数值可以不测量，由此探究小车合外力所做的功与速度变化的关系。（1）实验中_______（选填“需要”或“不需要”）补偿小车受到阻力的影响，理由是_______。（2）在某次实验中打出的纸带上选取8个计数点，如图2所示，第一个打点记为计数点0，除计数点0、1间外，其余两相邻计数点间均有四个打点未画出，则打计数点5时，小车的速度大小v5=_______m/s（结果保留两位有效数字）。（3）取计数点到0点的距离为x，以v2为横坐标，x为纵坐标，作出x—v2图像，除计数点5外，其余各点已经标在图3中，请在答题卷的坐标纸上标出计数点5，画出图线_______并求出该图线的斜率k=_______。[选用重物质量m，小车质量M，重力加速度g，细线牵引力T、小车所受合外力F等代表物理量的字母表示（字母的单位均已为国际制单位）]。   3．（2021·四川绵阳·一模）用如图甲所示装置完成“探究动能定理”实验。（1）实验中，需要平衡摩擦力和其他阻力。正确操作方法是：把长木板右端垫高，___________（选填选项前字母），若小车能拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响。A．在不挂重物且计时器打点的情况下，由静止释放小车B．在挂上重物且计时器打点的情况下，由静止释放小车C．在不挂重物且计时器打点的情况下，轻推小车D．在挂上重物且计时器打点的情况下，轻推小车 （2）挂上质量m=50g的重物，接通电源，由静止释放质量M=540g小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，将打下的第一个点标为O，在纸带上依次取A、B、C······若干个计数点，相邻计数点间有1个计时点（未画出），打点频率为50Hz。如图乙所示，测得A、B、C·到O点的距离分别为x1=60.87cm、x2=65.10cm、x3=69.48cm。认为小车所受的拉力大小为mg，取g=9.8m/s2。从打O点到打B点的过程中，拉力对小车做的功W=___________J，小车增加的动能ΔEkB=___________J。在误差范围内，得到合外力做的功与物体动能增加量相等。（结果均保留3位有效数字）（3）更多组数据计算发现，拉力对小车做的功W始终略大于小车动能增加量ΔEk，其原因可能是___________。（选填选项前的字母）A．长木板右端垫高不足B．长木板右端垫高太高C．绳子对小车的实际拉力小于重物重力D．绳子对小车的实际拉力大于重物重力   4．（2020·辽宁·二模）某实验小组用图（甲）所示的实验装置和器材做“探究动能定理”实验。(1)为了保证实验结果的误差尽量小，在实验操作中，下面做法必要的是_________。A．实验前要对装置进行平衡摩擦力的操作B．实验操作时要先释放小车，后接通电源C．在实验过程中要保证砂和砂桶的总质量远小于小车的质量D．在实验过程中要保证木板上的轻质细线与木板平行(2)除实验装置图中的仪器外，还需要的测量仪器有__________________________________。(3)如图（乙）为实验中打出的一条纸带，现选取纸带中的A、B两点来探究“动能定理”。已知打点计时器的打点周期为T，图中已经标明了要测量的物理量。另外，小车的质量为M，与小车相连的光滑滑轮的质量为m0，力传感器的示数为F，则需要探究表达式______________________________是否成立。（表达式结果用题中给出的字母表示）
5．（2020·河南·模拟预测）某实验小组的同学利用如图甲所示的实验装置验证了动能定理，实验时该小组的同学将小车由光电门1的左侧静止释放，通过细绳在砝码的牵引下开始运动，先后经过光电门1、2，并通过计算机记录了挡光时间。经测量可知小车和挡光片的总质量为M，砝码盘及砝码的总质量为m。根据所学的知识回答下列问题：(1)摩擦力的影响会对该实验带来一定的误差，为了平衡摩擦力，实验时应________（填“取下”或“挂上”）砝码盘，并适当地垫高长木板的________（填“左”或“右”）端；(2)在(1)的前提下，为了使细绳的拉力大小近似等于砝码盘及盘中砝码的总重力，应使小车和挡光片的总质量为M________（填“远大于”“大于”“等于”“小于”或“远小于”）砝码盘及盘中砝码的总质量；(3)实验小组的同学用游标卡尺对挡光片的宽度进行了测量，读数如图乙所示，则挡光片的宽度d=________cm；(4)计算机记录小车通过光电门1、2的时间分别为、，且两光电门之间的距离为L，重力加速度用g表示，则验证动能定理的关系式应为________（用以上相关物理量的字母表示）。
6．（2022·广东·模拟预测）一小组同学欲以如图a装置中的滑块为对象探究动能定理，他们还找到了打点计时器所用的学生电源、天平、刻度尺、导线、复写纸、纸带、细沙。当滑块连接上纸带，用平行于长木板的细线通过滑轮挂上空的小沙桶时，轻轻释放小桶，滑块处于静止状态。实验时测得滑块质量为M，沙和沙桶总质量为m。若你是小组中的一位成员，要完成该项实验，则：（1）挂上空的小沙桶前，首先要做的步骤是______。（2）实验时为了保证滑块受到的合力与沙和沙桶的总重力大小基本相等，沙和沙桶的总质量应满足的实验条件是______。（3）在（1）（2）小问的基础上，某次实验得到的纸带及相关数据如图（b）。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P点时小车的速度大小vP=______m/s（结果保留2位小数）。（4）如果以合力对滑块做的功W为纵轴，以_____（选填v或v2）为横轴，图线就是一条直线，其斜率为______（用题中的字母表示）。（5）实验中，如果让沙和沙桶带动滑块在水平气垫导轨上加速运动，也可以用来探究滑块与沙和沙桶组成的系统机械能是否守恒。用打点计时器记录其运动情况，若在打点计时器打出的纸带上取两点，测出这两点的间距L和这两点的速度大小v1与v2（v1<v2）。要探究滑块与沙和沙桶组成的系统机械能是否守恒，则最终需验证的数学表达式为______（用题中M、m、v1、v2、L、g表示）。
7．（2021·吉林油田高级中学三模）晓宇同学利用如图甲所示的装置验证“动能定理”，并完成了如下的操作∶①按如图所示的装置组装实验器材，调整滑轮的高度使细线与长木板平行﹔②将长木板的左端适当垫高，纸带穿过打点计时器，取下砂桶，开启电源释放滑块，直到在纸带上打下一系列均匀的点为止；③挂上砂桶，并在砂桶中放入适量的沙子，用天平测出砂桶和沙的总质量为m ，然后将装置由静止释放，重复操作，从其中选择一条比较清晰的纸带，如图乙所示。已知纸带中相邻两计数点间还有4个计时点未画出，计数点1、2、3到计时起点O之间的距离如图乙所示，计时器的打点频率为f，重力加速度为g。（1）若砂桶和桶中沙的总质量远小于滑块的质量，则打下计数点2的瞬间，滑块的速度大小v2=________；在从0~2的过程中，细线对滑块做的功为W=_________（用题中所给的物理量符号表示）；（2）如果根据得出的实验数据，描绘出了 图像，如图丙所示，由图像可知，与W的关系式应为________________（用题中所给的物理量符号表示），滑块的质量应为_________kg ； （3）晓宇同学在操作时向砂桶中放入的沙子过多，导致滑块的质量未满足远大于砂桶和沙的质量，则的函数图像应为______________A． B． C． D． 机械能守恒8．（2022·广东·高考真题）某实验小组为测量小球从某一高度释放，与某种橡胶材料碰撞导致的机械能损失，设计了如图（a）所示的装置，实验过程如下：（1）让小球从某一高度由静止释放，与水平放置的橡胶材料碰撞后竖直反弹。调节光电门位置，使小球从光电门正上方释放后，在下落和反弹过程中均可通过光电门。（2）用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图（b）所示，小球直径__________。（3）测量时，应__________（选填“A”或“B”，其中A为“先释放小球，后接通数字计时器”，B为“先接通数字计时器，后释放小球”）。记录小球第一次和第二次通过光电门的遮光时间和。（4）计算小球通过光电门的速度，已知小球的质量为m，可得小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失__________（用字母m、d、和表示）。（5）若适当调高光电门的高度，将会__________（选填“增大”或“减小”）因空气阻力引起的测量误差。
9．（2022·湖北·高考真题）某同学设计了一个用拉力传感器验证机械能守恒定律的实验。一根轻绳一端连接固定的拉力传感器，另一端连接小钢球，如图甲所示。拉起小钢球至某一位置由静止释放，使小钢球在竖直平面内摆动，记录钢球摆动过程中拉力传感器示数的最大值和最小值。改变小钢球的初始释放位置，重复上述过程。根据测量数据在直角坐标系中绘制的图像是一条直线，如图乙所示。（1）若小钢球摆动过程中机械能守恒。则图乙中直线斜率的理论值为_______。（2）由图乙得:直线的斜率为______，小钢球的重力为_______N。（结果均保留2位有效数字）（3）该实验系统误差的主要来源是______（单选，填正确答案标号）。A．小钢球摆动角度偏大B．小钢球初始释放位置不同C．小钢球摆动过程中有空气阻力      探究动能定理参考答案：1．     B     mgx2          C     【详解】（1）[1]实验中，把长木板右端垫高，平衡摩擦力和其它阻力。在不挂重物且计时器打点的情况下，轻推一下小车。若小车拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响。故选B。（2）[2]从打O点到打B点的过程中，拉力对小车做的功W= mgx2[3]打B点时小车的速度（3）[4]将重物和小车看作一个系统mgx=(M+m)v2M、m质量不变W=mgx因此图象为过原点的倾斜直线。故选C。[5]由图像可知解得   2．     不需要     只要保证小车在实验中合外力不变     0.93          【详解】（1）[1][2]功的具体数值可以不测量，只需要保证合外力不变，故不需要平衡摩擦力。（2）[3]两相邻计数点间均有四个打点未画出，故相邻计数点间时间间隔为计数点5的速度为（3）[4]将计数点5描出，尽量让更多的点落在图线上，画出图线，如图 [5]根据动能定理得可知斜率为3．     C     0.319     0.314     AC##CA【详解】（1）[1]平衡摩擦力时，应把长木板右端垫高，在不挂重物且计时器打点的情况下，轻推小车若小车能拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响。故选C。（2）[2] [3]相邻计数点间有1个计时点（未画出），打点频率为50Hz，则计数点时间间隔为打点B点时，小车速度小车增加的动能拉力对小车做的功（3）[4]拉力对小车做的功W始终略大于小车动能增加量ΔEk，可能是因为存在阻力作用，平衡摩擦力不足，即长木板右端垫高不足。若绳子对小车的实际拉力小于重物重力，而计算拉力做功时仍用就会导致计算拉力做功偏大。故选AC。4．     AD     刻度尺、天平     【详解】(1)[1]A.实验前要对装置进行平衡摩擦力的操作，以保证小车所受合外力恰好是绳子的拉力，A正确；B.实验时，若先放开小车，再接通打点计时器电源，由于小车运动较快，可能会使打出来的点很少，不利于数据的采集和处理，B错误；C.由于有力传感器，故不需要满足砂和砂桶的总质量远小于小车的质量，C错误；D.调整滑轮的高度，使木板上的轻质细线与木板平行，保证绳子上的拉力等于小车受到的合力，D正确。故选AD。(2)[2]由于实验需要测量小车速度，速度是使用打点计时器打的纸带计算得出的，故要测量点距，需要刻度尺；本实验还要测量质量，需要天平。(3)[3]A点的瞬时速度为B点的瞬时速度为对小车和滑轮系统，根据动能定理可知即5．     取下     左     远大于     0.555     【详解】(1)[1][2]本实验为了使细绳拉力为小车的合力，即拉力的功等于合力对小车所做的功，实验前取下砝码盘，并将长木板左端略微抬高，平衡小车的摩擦力。(2)[3]只有当M远大于m时，砝码盘和盘中砝码的重力才等于绳子的拉力，即满足M远大于m时可以用砝码盘和盘中砝码的重力做的功代替小车合力做的功。(3)[4]由游标卡尺的读数规则可知，主尺示数为5mm，游标尺示数为11×0.05mm=0.55mm则挡光片的宽度d=5mm+0.55mm=5.55mm即为0.555cm。(4)[5]由实验原理可知，小车的合外力做功近似等于砝码盘和盘中砝码受到的重力做功，即W=mgL小车通过光电门1时的速度小车通过光电门2时的速度小车通过两光电门的过程中动能的变化量验证动能定理的关系式应为6．     平衡摩擦力          1.80               【详解】(1)[1]挂上空的小沙桶前，需要先平衡摩擦力；(2)[2]砂和砂桶加速运动，有可得故当有(3)[3] 打出P点时小车的速度大小(4)[4]根据动能定理可得可知，以合力对滑块做的功W为纵轴，以v2为横轴做图像；[5]图线是一条直线，根据上式可知其斜率为；(5)[6]对于系统来说，合力做的总功为系统动能的增量为故需要验证7．          mgs2     v2=5W     0.4     A【详解】（1）[1][2]滑块拖动纸带移动的距离等于砂桶下落的距离，又滑块所受拉力约等于砂桶的重力，因此拉力对滑块做的功滑块做匀变速直线运动，因此打2点时滑块的速为1、3段的平均速度，每两点间的时间间隔则有（2）[3][4]由图线可知则与W的关系式为由动能定理可知整理得则由以上可知解得（3）[5]若砂桶和沙质量m不满足远小于滑块质量M，则绳子对滑块的拉力实际不等于砂桶的重力，由可得由动能定理得整理得而则则图线仍为一条过远点的倾斜直线，A正确，BCD错误。8．     7.884##7.882##7.883##7.885##7.886     B          增大【详解】（2）[1]依题意，小球的直径为（3）[2]在测量时，因小球下落时间很短，如果先释放小球，有可能会出现时间记录不完整，所以应先接通数字计时器，再释放小球，故选B。（4）[3]依题意，小球向下、向上先后通过光电门时的速度分别为v1、v2，则有则小球与硅胶材料碰撞过程中机械能的损失量为（5）[4]若调高光电门的高度，较调整之前小球会经历较大的空中距离，所以将会增大因空气阻力引起的测量误差。9．               0.59     C【详解】（1）[1]设初始位置时，细线与竖直方向夹角为θ，则细线拉力最小值为到最低点时细线拉力最大，则联立可得即若小钢球摆动过程中机械能守恒。则图乙中直线斜率的理论值为；（2）[2][3]由图乙得直线的斜率为则小钢球的重力为（3）[4]该实验系统误差的主要来源是小钢球摆动过程中有空气阻力，使得机械能减小，故选C。