(考点分析) 第五节 实验：探究动能定理-2023年高考物理一轮系统复习学思用

【考点分析】　第五节 实验：探究动能定理

【考点一】  对实验原理和操作的考查

【典型例题1】  某同学把附有滑轮的长木板平放在实验桌上，将细绳一端拴在小车上，另一端绕过定滑轮，挂上适当的钩码，使小车在钩码的牵引下运动，以此定量探究绳拉力做功与小车动能变化的关系．此外还准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸、纸带、小木块等．组装的实验装置如图所示．

(1)若要完成该实验，必需的实验器材还有哪些________________．

(2)实验开始时，他先调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的细绳与木板平行．他这样做的目的是下列的哪个________(填字母代号)．

A．避免小车在运动过程中发生抖动

B．可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰

C．可以保证小车最终能够实现匀速直线运动

D．可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车受的合力

(3)平衡摩擦力后，当他用多个钩码牵引小车时，发现小车运动过快，致使打出的纸带上点数较少，难以选到合适的点计算小车速度．在保证所挂钩码数目不变的条件下，请你利用本实验的器材提出一个解决方法：

________________________________________________________________________.

(4)他将钩码重力做的功当作细绳拉力做的功，经多次实验发现拉力做功总是要比小车动能增量大一些．这一情况可能是下列哪些原因造成的________(填字母代号)．

A．在接通电源的同时释放了小车

B．小车释放时离打点计时器太近

C．阻力未完全被小车重力沿木板方向的分力平衡掉

D．钩码做匀加速运动，钩码重力大于细绳拉力

【解析】　(1)实验要处理纸带测速度，需要刻度尺，要分析动能的变化，必须要测出小车的质量，因此还需要天平．

(2)实验中调节定滑轮高度，使细绳与木板平行，可在平衡摩擦力后使细绳的拉力等于小车所受的合力，如果不平行，细绳的拉力在垂直于木板的方向上就有分力，改变了摩擦力就不能使细绳拉力等于小车所受的合力，D正确．

(3)在所挂钩码个数不变的情况下，要减小小车运动的加速度，可以增大小车的质量，即可在小车上加适量的砝码(或钩码)．

(4)如果用钩码重力做的功当作细绳拉力做的功，发现拉力做的功总比小车动能的增量大，原因可能是阻力未被完全平衡掉，因此拉力做功一部分用来增大小车动能，一部分用来克服阻力做功；也可能是小车做加速运动，因此细绳的拉力小于钩码的重力，钩码的重力做的功大于细绳的拉力做的功，即大于小车动能的增量，C、D项正确．

【答案】　(1)刻度尺、天平(包括砝码)　(2)D  (3)可在小车上加适量的砝码(或钩码)　(4)CD

【归纳总结】  1．平衡摩擦力的方法是轻推小车，由打在纸带上的点是否均匀判断小车是否匀速运动．

2．测小车速度时，应选纸带上点均匀分布的部分．

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．

【考点二】  对实验数据处理和误差分析的考查

【典型例题2】  利用如图甲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乙所示．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/s，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．

请根据表中的数据，在方格纸上作出ΔEk－W图象．

(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.

【解析】  (1)挂钩码前，调节木板右侧的高度，直至向左轻推小车，观察到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．

(4)由于W＝mgΔx，ΔEk＝FΔx，则有F＝mg＝×0.01×9.8 N≈0.093 N.

【答案】  (1)小车做匀速运动　(2)0.228　(3)如图  (4)0.093

【归纳总结】  1．数据处理

(1)求小车的速度：利用纸带上点迹均匀的一段测出两点间的距离x，则v＝(其中T为打点周期)．

(2)实验数据处理：在坐标纸上画出W－v和W－v2图象(“W”以一根橡皮筋做的功为单位)．根据图象得出W∝v2.

2．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，测量不准带来的误差．

【考点三】  借助恒力做功探究功与速度变化的关系

【典型例题3】  (2021·江苏南京市三模)为了测量滑块与桌面间的动摩擦因数，一同学设计了如图所示的实验装置，A为带滑轮的滑块，B为盛有砂的砂桶。

(1)实验时，必须要进行的操作是___________。

A．用天平测量出砂和砂桶的质量

B．调整滑轮的位置，使绳与桌面平行

C．要保证砂和砂桶的质量远小于滑块的质量

D．滑块靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车

(2)该同学实验中得到如图所示的一条纸带(相邻两计数点之间还有四个点未画出)，打点计时器的交流电源频率为50Hz，根据纸带可以求出小车的加速度a=___________ (保留两位有效数字)；

(3)通过改变砂的质量，得到滑块运动的加速度和力传感器示数F的关系如图所示，纵截距为，已知当地的重力加速度为g，则滑块和轨道间的动摩擦因数___________(用b、g表示)；

(4)实验中已测得滑块的质量为M，将其由静止释放，力传器的示数为F，滑块运动距离为时，砂桶刚好接触地面且不反弹，滑块再滑行的距离后停止运动，则滑块与桌面间的动摩擦因数的表达式为___________(用F、M、、、g表示)；的测量值与真实值相比___________(填“偏大”、“偏小”、“不变”)。

【解析】  (1)AC．本题拉力可以由力传感器测出，不需要用天平测出砂和砂桶的质量，也就不需要使小桶(包括砂)的质量远小于车的总质量，故AC错误；

B．绳与桌面必须平行，以保证拉力的方向与滑块的运动方向一致，故B正确；

D．打点计时器运用时，都是先接通电源，待打点稳定后再释放纸带，故D正确。故选BD。

(2)每隔四个点取一个计数点，故相邻计数点间的时间间隔

根据逐差法可得

(3)根据牛顿第二定律可得

解得

结合图线可知

解得

(4)对滑块在整个运动过程中，根据动能定理可得

解得

因为实验中不可以避免的存在阻力(纸带、滑轮摩擦)，导致摩擦力偏大，所以μ的测量值偏大。

【答案】  (1)BD   (2)0.88    (3)    (4)    偏大

【考点四】  借助橡皮筋做功探究功与速度变化的关系

【典型例题4】  某学习小组做“探究功与速度变化的关系”的实验如图所示，图中小车是在一条橡皮筋作用下弹出的，沿木板滑行，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……实验时(每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致)，每次实验中小车获得的速度根据打点计时器所打在纸带上的点进行计算。

(1)除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、刻度尺和______(填“交流”或“直流”)电源。

(2)实验中，小车会受到摩擦力的作用，可以使木板适当倾斜来平衡摩擦力，则下面操作正确的是(    )

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

(4)在正确操作的情况下，打在纸带上的点并不都是均匀的，为了测量小车获得的速度，应选用纸带的___________部分进行测量(根据如图所示的纸带回答)。

【解析】   (1)打点计时器使用的是交流电源，即交流电源。

(2)平衡摩擦力时，应将纸带穿过打点计时器，放开拖着纸带的小车，小车能够匀速下滑即可。故选D。

(3)放开小车后，小车做加速运动，当橡皮筋的拉力大小等于摩擦力大小时，小车的速度最大，此时橡皮筋仍处于伸长状态。

故选B。

(4)从纸带上看，纸带的段打点比较均匀，所以应选用纸带的段进行测量。

【答案】  交流    D    B    GJ

【考点五】  拓展创新实验

【典型例题5】  (2022•河南洛阳市高三(下)二模)某学习小组用如图所示的实验装置探究“动能定理”。他们在气垫导轨上安装了一个光电门B，滑块上固定一宽度为d的遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从A处由静止释放。

(1)下列实验要求中不必要的一项是_______(请填写选项前对应的字母)。

A.应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量

B.应使A位置与光电门间的距离适当大些

C.应将气垫导轨调至水平

D.应使细线与气垫导轨平行

(2)实验时保持滑块的质量M和A、B间的距离L不变，改变钩码质量m，测出对应的力传感器的示数F和遮光条通过光电门的时间t。则研究滑块动能变化与合外力对它所做功的关系的实验原理表达式为________(用F、L、M、d、t表示)。如果通过描点作出线性图象，研究滑块动能变化与合外力对它所做功的关系，处理数据时应作出的图象是_______(请填写选项前对应的字母)。

A.作出t-F图象      B.作出t2-F图象         C.作出图象     D.作出图象

【解析】  (1)[1]A．滑块受到拉力可以通过传感器直接测得，故可以不用测量钩码和力传感器的总质量，A错误；

B．应使A位置与光电门间的距离适当大些，有利于减小误差， B正确；

CD．应将气垫导轨调节水平，保持拉线方向与木板平面平行，这样力传感器测得的拉力才等于合力，CD正确。故选A。

(2)[2][3] 滑块经过B的速度，解得，公式可转化为，则可得外力做功和滑块动能改变量相等，故验证滑块动能变化量和外力做功关系,应作出图象，为倾斜的直线,表达式为，故选C。

【答案】  ① A    ②     ③ C

【归纳总结】

1．实验器材及装置的改进

2．数据测量的改进

由光电门算速度v＝，速度传感器直接测量速度大小测量纸带上各点速度．

3．实验方案的改进

利用自由落体运动探究功和动能变化的关系．

4．实验目的创新

测量接触面间的动摩擦因数等．