2020届高考高三二轮复习实验培优练：探究动能定理

一、实验题

1. 难度：中等

某同学在做“探究动能定理”实验时，其主要操作步骤是：

a.按图甲安装好实验装置，其中小车的质量M＝0.50kg，钩码的总质量m＝0.10kg.

b.接通打点计时器的电源(电源的频率f＝50Hz)，然后释放小车，打出一条纸带．

(1)他在多次重复实验得到的纸带中取出最满意的一条，如图乙所示，把打下的第一点记作0，然后依次取若干个计数点，相邻计数点间还有4个点未画出，用厘米刻度尺测得各相邻计数点间的距离分别为d₁＝0.8cm，d₂＝2.4cm，d₃＝4.1cm，d₄＝5.6cm，d₅＝7.2cm，d₆＝8.8cm，他把钩码的重力作为小车所受的合力，计算出从打下计数点0到打下计数点5过程中合力所做的功W＝________J，把打下计数点5时小车的动能作为小车动能的改变量，计算出ΔE_k＝________J．(当地重力加速度g取9.80m/s²，结果均保留三位有效数字)

(2)根据以上计算可见，合力对小车做的功与小车动能的变化量相差比较大．通过反思，该同学认为产生误差的主要原因如下，其中正确的是________．(填选项前的字母)

A．钩码质量没有远小于小车质量，产生系统误差

B．钩码质量小了，应该大于小车质量

C．没有平衡摩擦力

D．没有使用最小刻度为毫米的刻度尺进行测量

2. 难度：中等

用如图1所示装置探究钩码和小车（含砝码）组成的系统的“功能关系”实验中，小车碰到制动挡板时，钩码尚未到达地面。

（1）平衡摩擦力时，______（填“要”或“不要”）挂上钩码。

（2）如图2是某次实验中打出纸带的一部分。O、A、B、C为4个相邻的计数点，相邻的两个计数点之间还有4个打出的点没有画出，所用交流电源的频率为50Hz．通过测量，可知打点计时器打B点时小车的速度大小为______m/s。

（3）某同学经过认真、规范的操作，得到一条点迹淸晰的纸带。他把小车开始运动时打下的点记为O，再依次在纸带上取等时间间隔的1、2、3、4、5、6等多个计数点，可获得各计数点到O的距离s及打下各计数点时小车的瞬时速度v。如图3是根据这些实验数据绘出的v²-s图象。已知此次实验中钩码的总质量为0.015kg，小车中砝码的总质量为0.100kg，取重力加速度g=9.8m/s²，根据功能关系由图象可知小车的质量为______kg．（结果保留两位有效数字）

（4）研究实验数据发现，钩码重力做的功总略大于系统总动能的增量，其原因可能是______。

A.钩码的重力大于细线的拉力

B.在接通电源的同时释放了小车

C.未完全平衡摩擦力

D.交流电源的实际频率大于50Hz

3. 难度：中等

用如图甲所示的实验装置完成“探究动能定理”实验．请补充完整下列实验步骤的相关内容：

 （1）用天平测量小车和遮光片的总质量M、砝码盘的质量m₀；用游标卡尺测量遮光片的宽度d，游标卡尺的示数如图乙所示，其读数为______ cm；按图甲所示安装好实验装置，用米尺测量两光电门之间的距离s；

（2）在砝码盘中放入适量砝码；适当调节长木板的倾角，直到轻推小车，遮光片先后经过光电门A和光电门B的时间相等；

（3）取下细绳和砝码盘，记下砝码盘中砝码的质量m；

（4）让小车从靠近滑轮处由静止释放，用数字毫秒计分别测出遮光片经过光电门A和光电门B所用的时间△t_A和△t_B；

（5）步骤（4）中，小车从光电门A下滑至光电门B过程合外力做的总功W_合=______，小车动能变化量△E_k=______（用上述步骤中的物理量表示，重力加速度为g），比较W_合和△E_k的值，找出两者之间的关系；

（6）重新挂上细线和砝码盘，改变砝码盘中砝码质量，重复（2）～（5）步骤．

（7）本实验中，以下操作或要求是为了减小实验误差的是______．

A．尽量减小两光电门间的距离s

B．调整滑轮，使细线与长木板平行

C．砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量

4. 难度：中等

为了“探究动能改变与合外力做功”的关系，某同学设计了如下实验方案：

A．第一步他把带有定滑轮的木板有滑轮的一端垫起，把质量为M的滑块通过细绳与质量为m的带夹重锤相连，然后跨过定滑轮，重锤夹后连一纸带，穿过打点计时器，调整木板倾角，直到轻推滑块后，滑块沿木板匀速运动，如图甲所示．

B．第二步保持木板的倾角不变，将打点计时器安装在木板靠近滑轮处，取下细绳和重锤，将滑块与纸带相连，使其穿过打点计时器，然后接通电源释放滑块，使之从静止开始加速运动，打出纸带，如图乙所示．打出的纸带如图丙所示：

试回答下列问题：

（1）已知O、A、B、C、D、E、F相邻计数点的时间间隔为Δt，根据纸带求滑块速度，当打点计时器打A点时滑块速度=_______，打点计时器打B点时滑块速度=____________．

（2）已知重锤质量m，当地的重力加速度g，要测出某一过程合外力对滑块做的功，还必须测出这一过程滑块________________（写出物理量名称及符号），合外力对滑块做功的表达式=____________．

（3）测出滑块运动OA段、OB段、OC段、OD段、OE段合外力对滑块所做的功以及．以v²为纵轴，以W为横轴建立坐标系，描点作出v²–W图象，可知它是一条过坐标原点的倾斜直线，若直线斜率为k，则滑块质量M=____________．

5. 难度：中等

利用图甲所示装置可以进行下列实验：实验中，小车碰到制动挡板时，钩码尚未到达地面。

①研究匀变速直线运动；

②验证牛顿运动定律；

③探究动能定理

（1）在上述实验中，______需平衡摩擦阻力（选填实验序号）。

（2）为了保证细绳的拉力等于小车所受的合外力，以下操作必要的是_____（选填选项前的字母）。

A．在未挂钩码时，将木板的右端垫高以平衡摩擦力

B．在悬挂钩码后，将木板的右端垫高以平衡摩擦力

C．调节木板左端定滑轮的高度，使牵引小车的细绳与木板平行

D．实验中控制钩码质量远小于小车的总质量

（3）图乙是某次实验中打出纸带的一部分，O、A、B、C为4个相邻的计数点（每两个相邻的计数点间还有4个点未画出）。已知打点计时器所用交流电的频率为50Hz，则在打出B点时小车的速度大小为______m/s（保留2位有效数字）。

6. 难度：中等

某实验小组利用图示装置进行“探究动能定理”的实验，实验步骤如下：

A．挂上钩码，调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速运动；调整光电门与斜面垂直；

B．取下轻绳和钩码，保持A中调节好的长木板倾角不变，接通光电门电源，然后让小车从长木板顶端静止下滑，记录小车通过光电门的时间t

C．重新挂上细绳和钩码，改变钩码的个数，重复A到B的步骤．

回答下列问题：

（1）按上述方案做实验，长木板表面粗糙对实验结果是否有影响？__________（填“是”或“否”）；

（2）若要验证动能定理的表达式，已知遮光条的宽度d，还需测量的物理量有______；（多选项）

A．悬挂钩码的总质量m     

B．长木板的倾角θ

C．小车的质量M          

D．释放小车时遮光条正中间到光电门沿斜面距离L

E．释放小车时小车前端到光电门沿斜面距离L

（3）根据实验所测的物理量，动能定理的表达式为：________（重力加速度为g）

（4）本实验采用光电门测速，造成速度测量误差，具体的原因是__________________

7. 难度：中等

某实验小组采用图甲所示的装置“探究动能定理”即探究小车所受合外力做功与小车动能的变化之间的关系。该小组将细绳一端固定在小车上，另一端绕过定滑轮与力传感器、重物相连。实验中，小车在细绳拉力的作用下从静止开始加速运动，打点计时器在纸带上记录小车的运动情况，力传感器记录细绳对小车的拉力大小。

（1）实验中为了把细绳对小车的拉力视为小车的合外力，要完成的一个重要步骤是___；

（2）若实验中小车的质量没有远大于重物的质量，对本实验______影响（填“有”或“没有”）；

（3）实验时，下列物理量中必须测量的是______。

A．长木板的长度L      B．重物的质量m      C．小车的总质量M

（4）实验中，力的传感器的示数为F，打出的纸带如图乙。将打下的第一个点标为O，在纸带上依次取A、B、C三个计数点。已知相邻计数点间的时间间隔为T，测得A、B、C三点到O点的距离分别为x₁、x₂、x₃。则从打O点到打B点过程中，探究结果的表达式是：___________（用题中所给字母表示）。

8. 难度：中等

某实验小组做“探究动能定理”实验，装置如图甲所示。探究对象是铝块（质量小于砂桶和砂的总质量），保持其质量m不变，通过在砂桶中加砂来改变对铝块的拉力，由力传感器可测得拉力的大小F。已知当地重力加速度为g，电源频率为f。

（1）若把力传感器装在右侧轻绳上则实验的误差会更________（填“大”或“小”）。

（2）实验时，让砂桶从高处由静止开始下落，在纸带打出一系列的点，如图乙所示，其中0是打下的第一个点，取纸带上0~5过程进行研究，铝块动能的增加量ΔE_k=_______，合外力做的功W=______（用题目和纸带中已知物理量符号表示）。

（3）为了更普遍地反应铝块运动过程中功与动能增加量的关系，某同学选取0点到不同计数点过程，作出ΔE_k–W图象如图丙所示，他根据图像斜率的值约为_________，才得到结论：外力做的功等于动能的增加量。

9. 难度：中等

某同学想利用如图所示的实验装置来验证动能定理．在一端带滑轮的长木板上固定一个光电门,光电门在滑轮附近,与光电门相连的数字毫秒计可以显示出小车上的遮光片经过光电门的时间．在远离滑轮的另一端附近固定一标杆．滑块通过细线与重物相连,细线的拉力大小等于力传感器的示数．

（1）下列说法正确的是（______）

A.平衡摩擦力时必须将重物通过细线挂在小车上

B.平衡摩擦力的目的是保证细绳对小车的拉力等于小车受到的合力

C.本实验中没有必要测量重物的质量

D.为减小系统误差,必须保证小车与遮光片的总质量远远大于重物的质量

（2）刻度尺的零刻线与标杆重合,光电门对应刻度尺的位置如上图的箭头所示,则标杆与光电门的距离__________．如图所示．用20分度的游标卡尺测出遮光片的宽度__________．

（3）用天平测得小车及遮光片的总质量为,在平衡好摩擦力后,每次都使小车上的遮光片从标杆处由静止开始运动,并记下遮光片通过光电门的时间及力传感器的显示的力的大小．以小车为研究对象验证动能定理,需要下列物理量:小车通过光电门时的速度大小_____,外力对小车做功_______．实验需要验证的关系式为__________．(以上填空处均用题中给出的已知物理量的字母表示．)

10. 难度：中等

某校物理兴趣小组利用如图甲所示装置探究合力做功与动能变化的关系。在滑块上安装一遮光条，系轻细绳处安装一拉力传感器（可显示出轻细绳的拉力），把滑块放在水平气垫导轨上A处，细绳通过定滑轮与钩码相连，光电门安装在B处。气垫导轨充气，将滑块从A位置由静止释放后，拉力传感器记录的读数为F，光电门记录的时间为△t。

（1）用螺旋测微器测量遮光条的宽度，如图乙所示，则宽度为 _________mm。

（2）多次改变钩码的质量（拉力传感器记录的读数F相应改变），测得多组F和△t数据，要得到线性变化图象，若已知选定F作为纵坐标，则横坐标代表的物理量为__________。

A.                 B.                 C.                 D.

（3）若正确选择横坐标所代表的物理量后，得出线性变化图象的斜率为k，且已经测出A、B之间的距离为s，遮光条的宽度为d，则滑块质量（含遮光条和拉力传感器）的表达式为M=_________。

11. 难度：中等

某实验小组利用图示装置进行“验证动能定理”的实验，小车上装有遮光片，与光电门相连接的计时器能测出小车通过光电门时遮光片的遮光时间t，实验步骤如下：

A．用游标卡尺测出小车上的遮光片的宽度d,用弹簧秤称出所需挂的钩码的重力F；

B．挂上钩码，调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车沿长木板向下运动，通过两个光电门时两个遮光时间相等；

C．取下轻绳和钩码，保持调节好的长木板倾角不变，让小车从长木板顶端静止下滑，记录小车通过光电门2时的遮光时间t₂；

D.改变光电门2的位置,重新让小车从长木板同一位置静止下滑,重复步骤C。

回答下列问题：

(1)对于该实验，下列说法正确的是________

A．长木板表面粗糙对实验结果影响较大，应该换用光滑的木板

B．该实验要用钩码的重力作为小车的合外力，应满足钩码质量远小于小车的质量

C．该实验要用钩码的重力作为小车的合外力，但不需要满足钩码质量远小于小车的质量

(2)若要求得小车在两光电门间运动的过程中合外力做功，还需测量两光电门间的距离，则小车合外力做功的表达式是W＝_______；小车在光电门2位置的速度表达式是=________。

(3)以为纵坐标，W为横坐标，利用实验数据作出图像，其图线是一条不过原点的直线，从图像中可得纵截距为a，斜率为b，可得小车在光电门1位置的动能为_______，小车的质量为_________。

12. 难度：中等

用图甲所示的实验装置探究“动能定理”。某学习小组在气垫导轨上安装了一个光电门B，滑块上固定一遮光条。细线一端连着滑块，另一端绕过气垫导轨左端的定滑轮与力电传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从A处由静止释放

（1）某同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d，如图乙所示，则d=______mm

（2）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A位置与光电门间的距离适当大些

B、应使滑块质量远大于钩码和力电传感器的总质量

C、应将气垫导轨调至水平

D、应使细线与气垫导轨平行

（3）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，测出对应的力电传感器的示数F和遮光条通过光电门的时间t，通过描点作出线性图象，研究滑块动能的变化量与合外力对它所做功的关系，处理实验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“-F”图象”

D、作出“-F”图象”

13. 难度：中等

用如图a所示装置做“验证动能定理”的实验。实验时，通过电磁铁控制小铁球从P处自由下落，小铁球依次通过两个光电门甲、乙，测得遮光时间分别为和，两光电门中心点间的高度差为h。

(1)用游标卡尺测得小铁球直径如图b所示，则小铁球的直径d =____mm；

(2)为验证动能定理，还需知道的物理量是______________（填物理量名称及符号），验证动能定理的表达式为：_____________________________；

(3)由于光电门甲出现故障，某同学实验时只改变光电门乙的高度，进行多次实验获得多组数据，分别计算出各次小铁球通过光电门乙时的速度v，并作出并作出v²-h图像。图(c)中给出了a、b、c三条直线，他作出的图像应该是直线_________；由图像得出，小铁球到光电门甲中心点的高度差为_________cm，小铁球通过光电门甲时的速度为_________m/s。（计算结果保留三位有效数字）

14. 难度：中等

某同学验证动能定理的实验装置如图，水平桌面上固定一气垫导轨，在气垫导轨上的A、B处固定两个光电门，一质量为M的滑块通过细绳跨过光滑的定滑轮与一个小桶相连，桶中装有细沙，桶和里面细沙的总质量为m，用d表示遮光条的宽度，通过光电计时器可以测量出遮光条通过A、B两个光电门的时间分别为t_A、t_B，A、B两个光电门的距离为x。忽略导轨与滑块之间的摩擦力，用g表示重力加速度。

（1）滑块从A运动到B的过程中，动能的增量为____________（用题干中的字母表示），在m与M满足____________的条件下，可以近似认为细绳对滑块做的总功为mgx。只需验证总功与动能的增量是否相等即可。

（2）关于此实验，下列说法正确的是____________（填序号）。

A．适当增大两光电门之间的距离会增大实验误差

B．适当增大两光电门之间的距离可以减小实验误差

C．此装置也可以拿来验证系统机械能守恒

D．遮光条的宽度大一些有利于减小实验误差 

（3）实验过程中，无论怎样改变参数，经过测量和计算后发现，由于细绳对滑块的拉力实际上并不等于mg，所以总功mgx始终要____________（填“略大于”“略小于”或“等于”）动能的增加量，这种误差属于____________（填“系统误差”或“偶然误差”）。

（4）鉴于以上第（3）问中的误差对本实验的影响，有同学提出了另外的建议，将实验装置改成如图所示，首先调整气垫导轨的倾角，往小桶中加入适量的细沙，让滑块恰好能够静止在导轨上，然后剪断细绳，滑块开始加速下滑。该同学提出的这种操作方式合理吗？____________（填“合理”或“不合理”）为什么？____________。