专题41探究做功与动能变化关系实验（原卷版+解析版）-2023届高考物理一轮复习知识点精讲与最新高考题模拟题同步训练

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2023高考一轮知识点精讲和最新高考题模拟题同步训练第七章  机械能专题41  探究做功与动能变化的关系第一部分  知识点精讲一、基本原理与操作原理装置图操作要领(1)平衡：垫高木板的一端，平衡摩擦力(2)做功①用一条橡皮筋拉小车——做功W②用两条橡皮筋拉小车——做功2W③用三条橡皮筋拉小车——做功3W(3)小车：靠近打点计时器且接通电源再释放小车；每次小车须由同一位置由静止弹出(4)测速：测出每次做功后小车获得的速度二、数据处理1．利用纸带确定小车的末速度(1)橡皮筋恢复原长时小车已匀速，故应利用纸带上间距相等的部分计算小车速度。(2)利用v＝计算小车的速度，为减小测量误差，所选的范围应尽量长些。2．绘制图像分别用各次实验的v和W绘出W­v，W­v2，W­v3等关系图像，直到作出的图像是一条倾斜的直线。三、注意事项1．选点测速：测小车速度时，纸带上的点应选均匀部分的，也就是选小车做匀速运动状态的点。2．橡皮筋的选择：橡皮筋规格相同。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。四、误差分析1．误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋的拉力做功W与橡皮筋的条数不成正比。2．没有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力时倾角过大也会造成误差。3．利用打上点的纸带计算小车的速度时，测量不准带来误差。 【创新领悟】实验原理的创新拉力传感器的示数即为小车所受合外力实验器材的创新1.利用光电门和遮光片的宽度确定小车经过光电门A、B的速度。2.小车匀速运动时，砝码盘和砝码的重力即为不挂砝码盘时小车所受的合外力。实验过程的创新1.小球由O点平抛的初速度由下落高度y和水平位移x通过计算得到。2.小球由不同高度下滑，平抛的水平位移不同，作出对应关系图线(直线)。第二部分 最新高考题精选1．（9分）（2021高考河北物理）某同学利用图1中的实验装置探究机械能变化量与力做功的关系。所用器材有：一端带滑轮的长木板、轻细绳、的钩码若干、光电门2个、数字计时器、带遮光条的滑块（质量为，其上可放钩码）、刻度尺。当地重力加速度为。实验操作步骤如下：①安装器材，调整两个光电门距离为，轻细绳下端悬挂4个钩码，如图1所示；②接通电源，释放滑块，分别记录遮光条通过两个光电门的时间，并计算出滑块通过两个光电门的速度；③保持绳下端悬挂4个钩码不变，在滑块上依次增加一个钩码，记录滑块上所载钩码的质量，重复上述步骤；④完成5次测量后，计算出每次实验中滑块及所载钩码的总质量M、系统（包含滑块、滑块所载钩码和轻细绳悬挂钩码）总动能的增加量及系统总机械能的减少量，结果如下表所示：0.2000.2500.3000.3500.4000.5870.4900.3920.2940.1950.3930.490 0.6860.785回答下列问题：（1）实验中轻细绳所悬挂钩码重力势能的减少量为_______J（保留三位有效数字）；（2）步骤④中的表格所缺数据为_______；（3）若M为横轴，为纵轴，选择合适的标度，在图2中绘出图像；则物块与模板之间的摩擦因数为____________（保留两位有效数字）【参考答案】（1）0.980 （20.588 （3）绘出图像如图。（4）0.40【名师解析】（1）实验中轻细绳所悬挂四个钩码重力势能的减少量为△Ep=4mgL=4×0.05×9.8×0.5J=0.980J；（2）对滑块和钩码构成的系统，由能量守恒定律，系统减少的机械能△E=△Ep-△Ek=0.980J-0.392J=0.588J，即步骤④中的表格所缺数据为0.588J；（3）根据表格中的数据，绘出图像；（4）根据功能关系，△E=μMgL，图像斜率为k=1.96，即k=μgL，解得μ=0.4.2．(2020·全国卷Ⅲ)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____________________。【参考答案】：0.36　1.80　B、P之间的距离【名师解析】打下B点的时刻为打下与B点相邻左、右两点的中间时刻，则打下B点时小车的速度应为这两点间小车的平均速度，即vB＝×10－2 m/s＝0.36 m/s；同理打下P点时小车的速度vP＝×10－2 m/s＝1.80 m/s。在验证动能定理时，如果选取B到P的过程，则由mgxBP＝(M＋m)vP2－(M＋m)vB2可知，要验证动能定理还需要求得B、P两点间的距离。3。　(2017·江苏高考)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＝200.0 g，钩码的质量为m＝10.0 g，打点计时器的电源为50 Hz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，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。(3)将钩码的重力视为小车受到的拉力，取g＝9.80 m/s2，利用W＝mgΔx算出拉力对小车做的功W。利用Ek＝Mv2算出小车动能，并求出动能的变化量ΔEk。计算结果见下表。W/×10－3J2.452.923.353.814.26ΔEk/×10－3 J2.312.733.123.614.00 请根据表中的数据，在方格纸上作出ΔEk­W图像。(4)实验结果表明，ΔEk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＝________N。[参考答案]　(1)小车做匀速运动　(2)0.228　(3)见解析图　(4)0.093 【名师解析】　(1)挂钩码前，调节木板右侧的高度，直至向左轻推小车，小车做匀速直线运动，表明此时已消除了摩擦力的影响。(2)打出计数点“1”时小车的速度v1＝m/s＝0.228 m/s。(3)根据题表格中的数据，描点作图，如图所示：(4)由于W＝mgΔx，ΔEk＝FΔx，则有F＝mg＝×0.01×9.8 N≈0.093 N。 第三部分 最新模拟题精选1. (2022广东湛江模拟) 某同学用如图甲所示的装置做“验证动能定理”实验，实验操作如下：（1）用50分度的游标卡尺测量固定在小车上的遮光片宽度如图乙所示，则遮光片的宽度d=______mm；（2）调节长木板的倾角，将小车放在长木板靠近滑轮的一侧，砂桶用细绳跨过定滑轮挂在小车上并使细绳平行于长木板。调整砂桶内砂子的质量，使小车以某一初速度沿长木板向下运动时，通过两个光电门的时间相等。取下细绳和砂桶，用天平称得砂桶和砂的总质量为m。再将小车在靠近滑轮的位置由静止释放，小车通过光电门1和光电门2时显示的时间分别为t1、t2，已知重力加速度为g，小车与遮光片的总质量为M，两光电门间的距离为l，则小车从通过光电门1到通过光电门2的过程中，动能的增加量为____________，小车所受合为___________。若满足等式___________，则动能定理得以验证；（结果均用已知字母表示）（3）若实验过程中，保证小车能够沿长木板下滑但不满足m<<M，则对实验结果__________（选填“无影响”或“有影响”）。【参考答案】    ①. 4.20    ②.     ③. mg    ④.     ⑤. 无影响【名师解析】（1）[1] 游标卡尺读数是主尺读数（mm的整数倍）加上游标尺的读数（mm的小数位），由图可读出为（2）[2] 小车通过光电门1到通过光电门2时的瞬时速度分别为，则小车动能的增加量为[3]挂上砂桶时小车向下通过两个光电门的时间相等，说明是匀速运动，由平衡条件取下细绳和砂桶后，小车向下加速运动联立可得小车所受合为[4]对小车从通过光电门1和光电门2的过程，若动能定理成立，则合外力对小车做的功等于小车动能的增加量，即（3）[5]本实验中利用代换的方法，将小车沿斜面向下加速运动的合力巧妙的用小车匀速下滑时的砂和砂桶的总重量进行代换，所以实验不满足m<<M，对实验无影响。2．（6分）（2021黑龙江名校联考）某学校物理兴趣小组通过实验探究功和动能变化的关系，装置如下图所示。（1）将橡皮筋拉伸至点O，使小钢球在橡皮筋的作用下从静止弹出，小钢球离开水平桌面后平抛落至水平地面上，落点记为P，如下图所示，用刻度尺测量桌面到地面的高度为h，抛出点到落地点的水平距离为L，小钢球的质量为m，取重力加速度为g，则小钢球离开桌面边缘时的动能为______（用题中的字母表示）（2）在钉子上分别套上n条同样的橡皮筋，重复步骤（1），小钢球落点记为Pn，其中n=2，3，4……若本实验中合外力做功与动能变化近似相等，则小球抛出点到落地点的水平距离Ln=__________（3）关于本实验，下列说法正确的是（   ）A．需要使每次橡皮筋拉伸的长度都保持一致B．需要使桌面尽量光滑C．必须测量橡皮筋的伸长量ΔxD．必须测量小钢球的直径【参考答案】. （1）    （2）L   （3） AB【名师解析】（1）由L=vt，h=gt2，小钢球离开桌面边缘时的动能为Ek=mv2，联立解得Ek=.     （2）由L=vt，h=gt2，可知v∝L，合外力做功W=nW0，v∝，所以小球抛出点到落地点的水平距离Ln=L 。 （3）本实验需要使每次橡皮筋拉伸的长度都保持一致，需要使桌面尽量光滑，不需要测量橡皮筋的伸长量Δx，不需要测量小钢球的直径，所以选项AB正确。3. ．(5分) (2021高考二轮评估验收模拟15)在“探究功与速度变化的关系”的实验中，某实验研究小组的实验装置如图甲所示，木块从A点静止释放后，在一根弹簧作用下弹出，沿足够长的木板运动到B1点停下，记录此过程中弹簧对木块做的功为W1.O点为弹簧原长时所处的位置，测得OB1的距离为L1.再用完全相同的2根、3根…弹簧并在一起进行第2次、第3次…实验并记录2W1、3W1…及相应的L2、L3…数据，用W－L图象处理数据，回答下列问题：甲乙(1)如图乙是根据实验数据描绘的W－L图象，图线不过原点的原因是______________________．(2)由图线得木块从A到O过程中克服摩擦力做的功是________W1.(3)W－L图象斜率的物理意义是______________．【参考答案】：(1)AO段有摩擦力做功　(2)　(3)摩擦力大小【名师解析】：(1)从A到B根据能量守恒得：W－Wf＝fL，所以图线不过原点是因为在AO段还有摩擦力做功．(2)由题图乙知图象过(6，1)、(42，5)，代入W－Wf＝fL，解得木块从A到O过程中克服摩擦力做的功为W1.(3)由W－Wf＝fL，知图象的斜率为摩擦力大小．  4．(2021·江西名校联考)如图甲所示，气垫导轨上质量为M的滑块通过轻质细绳绕过滑轮与质量为m的钩码相连，绳子的悬挂点与拉力传感器相连，遮光条宽度为d。气源开通后，滑块在绳子拉力的作用下由静止释放，遮光条通过光电门的时间为Δt，拉力传感器的读数为F。不计滑轮质量、不计滑轮轴、滑轮与轻质细绳之间的摩擦。(1)某同学用螺旋测微器测遮光条宽度，螺旋测微器示数如图乙所示，d＝________mm。(2)某学习小组的同学欲探究绳子拉力对滑块做功与滑块动能变化的关系，记录滑块释放时遮光条与光电门的距离L及其通过光电门的时间Δt，得到一系列L和Δt的数据，通过图像法处理数据时，为了获得线性图像应作________图像，该图像的斜率k＝________(用题中字母表示)。【参考答案】：(1)3.114(3.112～3.115均可)(2)L­　【名师解析】：(1)用螺旋测微器测遮光条宽度，螺旋测微器的固定刻度读数为3 mm，可动刻度读数为11.4×0.01 mm，则读数为3 mm＋11.4×0.01 mm＝3.114 mm。(2)由动能定理可得FL＝M，则有L＝·，则为了获得线性图像应做L­图像，该图像的斜率为k＝。5.（2022湖南长沙长郡中学质检）在课外兴趣小组实验时，某同学利用如图1所示的装置探究功与速度变化的关系。
操作步骤如下：
a．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；
b．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致，重复步骤a，小物块落点分别记为M2、M3、M4…；
c．测量相关数据，进行数据处理。
（1）为求出小物块抛出时的速度大小，需要测量下列物理量中的______（填正确答案标号）。
A．橡皮筋的原长x               B．橡皮筋的伸长量△x
C．桌面到地面的高度h         D．小物块抛出点到落地点的水平距离L

（2）将几次实验中橡皮筋对小物块做功分别记为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、…．若功与速度的平方成正比，则若以W为横坐标、以L2为纵坐标作图，得到的图象是______
A．直线    B．抛物线    C．双曲线    D．无法确定
（3）若考虑物块从释放位置到桌子边沿克服阻力做的功，请在图2中画出（2）中的大致图象形状；
（4）根据（3）中画出的图象______（“能”、“不能”）说明动能的增量与合力做功的关系。.【参考答案】（1）C D   （2）A
（3）如图所示，
（4）能
【名师解析】（1）小物块在橡皮筋的作用下离开桌面做平抛运动，由水平位移和竖直就能求出平抛的初速度，v==，所以要测量桌面的高度h，小物块抛出点与落地点的水平距离L。
 （2）由动能定理有：W==，由此看出W与L2是一次函数的关系，画出的L2-W图象是直线。
（3）若考虑桌面阻力所做的负功，则由动能定理有：W-Wf=，所以有L2=，画出图象如图所示。
（4）若L2与W是直线关系，则可证明两者是线性关系，即合力所做的功等于动能的增加量。
 6．某实验小组在实验室中利用图甲所示实验装置来探究合力做功与物体动能变化的关系。实验步骤如下：①将木板固定在水平桌面上，一端装上定滑轮，木板上放置一质量M=200g的滑块，左端与穿过电磁打点计时器的纸带相连；②将左端适当垫高，给滑块一个初速度，滑块恰好能做匀速直线运动；③滑块右端通过跨过定滑轮的细线与质量m=l0g的砝码连接，实验中用砝码的重力代替小车受到的拉力。接通电源，释放砝码，滑块开始运动，打点计时器打出纸带的一部分如图乙所示，0、l……5、6为计数点，每相邻两计数点间还有四个点未画出。已知打点计时器使用的交流电源的频率为50 Hz，当地的重力加速度g=9.8m/s2，所有运算结果均保留两位有效数字。(1)滑块打点1时的动能为______J，打点5时的动能为______ J；(2)在从点l运动到点5过程中拉力所做的功W=______J；(3)通过计算，发现拉力所做的功______ （填“大于”、“小于”或者“等于”）滑块动能的增加，原因是______。【参考答案】．（1）1.5×10-3    9.8×10-3   （2） 8.8×10-3   （3） 大于    拉力不是等于重力，而比重力小，但实际是代入重力大小来计算拉力的大小    【名师解析】(1)根据平均速度等于中时刻的瞬时速度，则点1的速度为同理，则点5的速度为 则滑块打点1时的动能为打点5时的动能为(2)由于用砝码的重力代替小车受到的拉力，则在从点1运动到点5过程中拉力所做的功为W=mgx15=0.01×10×（0.0977-0.0101)J=8.8×10-3J(3)从1到5动能的增加量为△Ek=9.8×10-3J-1.5×10-3J=8.3×10-3J拉力所做的功大于滑块动能的增加，原因是拉力不是等于重力，而比重力小，但实际是代入重力大小来计算拉力的大小，因此拉力做的功大于动能的增加量。7．某实验小组利用图（a）所示实验装置及数字化信息系统探究“外力做功与小车动能变化的关系”。实验时将小车拉到水平轨道的O位置由静止释放，在小车从O位置运动到 A位置过程中，经计算机处理得到了弹簧弹力与小车位移的关系图线如图（b）所示，还得到了小车在A位置的速度大小vA ；另外用电子秤测得小车（含位移传感器发射器）的总质量为m。回答下列问题：(1)小车从O位置运动到A位置过程中弹簧对小车所做的功W＝______，小车的动能改变量ΔEk ＝______。（用m、vA、xA中各相关物理量表示）(2)若将弹簧从小车上卸下，给小车一初速度v0，让小车从轨道右端向左端滑动，利用位移传感器和计算机得到小车的速度随时间变化的图线如图（c）所示，则小车所受轨道摩擦力的大小＝_______。（用m、v0、tm中各相关物理量表示）(3)综合步骤(1)、(2)，该实验所要探究的“外力做功与小车动能变化的关系”表达式是________。（用m、vA、xA、v0、tm中各相关物理量表示）【参考答案】．（1）       （2）    （3）     【名师解析】(1)小车从O位置运动到A位置过程中弹簧对小车所做的功W=小车的动能改变量ΔEk =(2)由图线可知，小车的加速度为则根据牛顿第二定律可知，小车所受轨道摩擦力的大小(3) 该实验所要探究的“外力做功与小车动能变化的关系”表达式是即