2019-2020学年粤教版必修2 4.3探究外力做功与物体动能变化的关系 达标作业（解析版)

4.3探究外力做功与物体动能变化的关系
达标作业（解析版)
1．为测定物块与木板间的动摩擦因数，某课外实验小组设计了如图所示的实验装置，如图所示．实验步骤如下：
（1）某同学在实验室找到一个小正方体木块，并放置在木板上．
（2）调整木板的倾角．将弹簧（实验中的弹簧可视为轻质弹簧）的一端固定在木板上，另一端位于木板上的B点．正方体木块从木板上A点静止释放后沿木板下滑，压缩弹簧运动至C点后被弹回，上滑至D点时速度为零．（3）测得AB间的距离为x1，BC间的距离为x2，BD间的距离为x3．
（4）改变θ角的大小，按以上步骤重做实验，得出多组数据，利用所学规律算出物快与木板间的动摩擦因数，求其平均值．
请根据上述步骤以及所学的物理规律处理以下问题；
关于正方体木块从A下滑到B过程中的受力示意图（其中mg为木块的重力，N为斜面对木块的支持力，f为木块受到的摩擦力、F为弹簧对木块的弹力）．下图分析正确的是______．
②若某次实验测得：x1=40cm、x2=5cm、x3=25cm，θ=45°，则物快与木板间的动摩擦因数为______
③试比较物快在上述过程中刚接触与刚离开弹簧时动能的大小，并简要说明理由___________．
2．同学们分别利用下图甲、乙所示的两种装置采用不同方法探究“合外力做功与动能改变量的关系”．其中小车A与纸带和打点计时器B相连，托盘C内装有砝码，D为无线测力传感器，可直接测量绳子给小车的拉力．
（1）下列说法正确的是__________
A．两种方案都需要将导轨的右端垫高以平衡摩擦力
B．两种方案都需要测量并记录小车的质量
C．两种方案都需要测量并记录托盘及托盘中砝码的总质量
D．两种方案都要求托盘及盘中砝码总质量远小于小车A的质量

（2）如图丙是某次实验打下的纸带，其中O点是小车由静止释放瞬间打点计时器打下的第一个点，打点周期为T，相邻两点间还有四个点没画出，则打下C点时小车的速度大小为vc=________________
（3）若采用方案二进行实验，用天平测得小车的质量为M，传感器D测量得到绳子拉力为F，研究小车从开始运动到打下C点的过程，则根据动能定理，应验证的表达式为(用题目中已知物理量的符号表示)_________________
（4）若采用方案一进行实验，并将砝码盘和砝码总重力mg当作绳子拉力，多次实验发现拉力做功总是比小车动能增加量要________一些（填“偏大”或“偏小），造成这种误差最可能的原因是_____________________
3．某学习小组做“探究做功与物体速度变化的关系”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.实验中对每次释放小车的位置要求是____________（填“不做特殊要求”或“不同位置”或“同一位置”）．
(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) 实验中正确操作的情况下，小车的运动过程是（_____）
A．一直加速运动
B．可能做曲线运动
C．先匀加速直线运动，后匀速直线运动
D．先变加速直线运动，后匀速直线运动
(4) 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
(5)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).
4．如图所示，装置甲中挂有小桶的细线绕过定滑轮，固定在小车上；装置乙中橡皮筋的一端固定在导轨的右端，另一端系在小车上．一同学用装置甲和乙分别进行实验，经正确操作获得两条纸带①和②，纸带上的a、b、c…均为计时器打出的点．
（1）图中A仪器的名称为___，所用电源为___(填“直流电源"或者“交流电源”)；
（2）读出纸带②b、c两点间距离为____；
（3）求出纸带①c、e两点间的平均速度大小为___(保留3位有效数字)，纸带①和②上c、e两点间的平均速度___(填“大于”等于”或“小于”)；
（4）下列说法正确的是____(填选项字母)．
A．两条纸带均为用装置甲实验所得
B．两条纸带均为用装置乙实验所得
C．纸带①为用装置甲实验所得，纸带②为用装置乙实验所得
D．纸带①为用装置乙实验所得，纸带②为用装置甲实验所得
5．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=_________。
6．光明中学实验小组的同学利用如图所示的实验装置验证了机械能守恒定律，晓宇实验时进行了如下的操作（滑轮的大小可忽略）：
①滑块甲放在气垫导轨上，滑块乙穿在涂有润滑剂的竖直杆上，调整气垫导轨水平，并调整光电门的位置，使遮光条通过光电门时滑块甲仍未到达定滑轮，实验时记录通光条的挡光时间t；
②将两滑块由囝中的位置无初速释放，释放瞬间两滑块之间的细绳刚好拉直；
③测出两滑块甲、乙的质量M、m，重力加速度为g。
回答下列问题:
（1）为了验证机械能守恒定律.还需的物理量有________________。
A．细绳的总长度L
B．遮光条的宽度d
C．滑块乙的释放点距离光电门的离度h
D．滑轮到竖直杆的距离
E.滑块甲到滑轮的距离s
（2）当遮光条通过光电门瞬间，滑块甲速度的表达式为________________；
（3）如果系统的机械能守恒，则需验证的关系式为_______。
7．打点计时器是力学实验的常用仪器．
（1）罗同学用打点计时器“探究功与速度变化的关系”，将打点计时器固定在木板上，如图甲，不妥之处有____，____，（写出两项）．要完成此实验，除了图甲中的器材外，还需要从图乙中选用的器材有____（写字母）
（2）范同学用打点计时器做“探究加速度与力、质量的关系”实验，实验中用天平测量小车质量，如图丙，他在右边的托盘上放置了一个100g的砝码、一个50g的砝码、两个20g的砝码，游码的位置如图所示，则小车的质量是____g．
该同学欲通过打出的纸带（图丁）来判断是否已平衡摩擦力，根据纸带的点迹，应该将木板的倾斜度调____（选填“大”或“小”）些．
8．用如图所示的装置测滑块与木板间的动摩擦因数。同种材料的薄木板A、B、C，表面粗糙程度相同，将较长的木板B放置于水平地面上，左端固定在竖直墙的O点，木板A倾斜固定在木板B上，顶端靠墙，用一段圆弧状木板C将A、B平滑连接。将滑块P从木板A的顶端由静止释放，P最终停在木板B上某点Q（图中未画出）处；改变木板A在木板B上的位置，木板A与水平面的倾角改变，重复实验。
（1）要测定滑块P与木板间的动摩擦因数，每次实验只需要测量的两个物理量是 __________（填序号）。
A．滑块P的质量m
B．木板A与水平面的倾角θ
C．木板A的顶端与O点的竖直高度h
D．Q点与O点间的距离x
（2）计算滑块P与木板间的动摩擦因数的公式μ=__________，用（1)问中所选的物理量表示。
（3）由于木板C是圆弧状，将产生系统误差，会使所测得的动摩擦因数比实际值__________（填“偏大”或“偏小”）。
9．某学习小组用如图甲所示的实验装置探究做功与动能变化的关系。在水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨，导轨上A处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一沙桶相连，沙桶和里面的细沙总质量为m；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上B处有一光电门，可以测量出遮光片经过光电门时的挡光时间为t，d表示遮光片的宽度，L表示遮光片右侧初位置至光电门之间的距离，用g表示重力加速度。
（1）该同学首先用游标卡尺测量了遮光片的宽度，如图乙所示，遮光片宽度的测量值d=_________cm。
（2）让沙桶内盛上适量细沙，测出沙桶和细沙的总质量m，调整导轨倾角，让滑块恰好在A处静止。剪断细绳后，滑块开始加速下滑，记录遮光片通过光电门的时间t；保持滑块的质量M和遮光片右侧初位置至光电门之间的距离L不变，改变沙桶内细沙的质量和导轨倾角，重复以上步骤，通过每次实验记录的m和t，描点作出了一个线性关系的图象，从而更直观地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_________图象，分析后作出正确的图象如图丙所示，若遮光片右侧初位置至光电门之间的距离L和遮光片的宽度d为已知量，则滑块的质量M=__________。
（3）为了减小上述实验中的误差，下列实验要求中必要的项是___________（请填写选项前对应的字母）。
A．应使沙桶和细沙的总质量m远小于滑块和遮光片的总质量M
B．应使A位置与光电门间的距离适当大些
C．遮光片的宽度要适当小些
D．应使细绳与气垫导轨平行
10．如图所示，用甲、乙两种装置分别“探究功与度变化的关系”实验装置甲中有小桶的细线绕过定滑轮，固定在小车上；装置乙中皮的一端固定在导轨的左端另一系在小车上，已知所用打点计时电源率为．
(1)用装置甲进行实验，把小桶和中砝码的总重力当做小车受副的拉力求出合力对小车做功的具体数值时，应________
A．细线必须与导轨平行
B．适当倾斜导轨以补偿小车动过程中受到的阻力
C．需要用天平测出小车的质量
D．小桶和桶中砝玛的总质量必须远小于小车的质量
(2)用乙装置进行实验时，应________
A．测出单条橡皮筋对小车做功的数值
B．每次实验中橡皮筋拉的长度必须相
C．适当倾斜导轨以补小车运动程中受到的阻力
D．测出小车从静止到匀速过程的平均速度
(3)经正确操作获得如图2所示两条纸带①和②，纸带上的…均为打点计时器打出的点，读出纸带①上、点间距离为_______，并求出该纸带、两点间的平均速度大小为_________．
(4)图2中两条纸带①和②所对应的实验装置是_________．
A．两条为用装置甲实验所得
B．两条纸带均为用装置乙实验所得
C．纸带①为用装置甲实验所得，纸带②为用装置乙实验所得
D．纸带①为用装置乙实验所得，纸带②为用装置甲实验所得
11．如图，气垫导轨上滑块的质量为M，钩码的质量为m，遮光条宽度为d，两光电门间的距离为L，气源开通后滑块在牵引力的作用下先后通过两个光电门的时间为△t1和△t2。当地的重力加速度为g。
(1)用上述装置验证滑块的动能定理时，要使绳中拉力近似等于钩码的重力，则m与M之间的关系应满足的条件是___________；需要验证的表达式是_________________（用已知量表示）
(2)用上述装置探究系统在运动中的机械能关系，滑块从光电门1运动到光电门2的过程中满足关系式_____________________________时（用已知量表示），系统机械能守恒。若测量过程中发现系统动能增量总是大于钩码重力势能的减少量，可能的原因是______________________。
12．小王同学做探究“合力做功与物体速度变化关系”的实验装置如图甲所示,小车在橡皮筋作用下弹出,沿木板滑行。先平衡摩擦力,再用1条橡皮筋对小车做的功记为W,当用2条、3条?实验时,每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致。实验中小车获得的速度由打点计时器所打的纸带测出。
?
(1)在实验准备过程中,小诗整理了一些实验器材如图乙所示,还缺少的器材是（3个）____________________；
(2)用一条纸带穿过打点计时器,该同学发现有图丙中的两种穿法,感到有点犹豫.你认为___________(选填“A”或“B”)的穿法更合理；
(3)该同学在实验过程中,①应平衡摩擦力;②应选长短、粗细一样的橡皮筋若干;③每次实验都让小车从同一地点静止释放.以上操作对“实验中每条橡皮筋做相同的功”这一要求有帮助的是_______(填序号)
参考答案
1．C 0.2 物块刚接触弹簧时的动能大于刚离开弹簧时的动能，理由是机械能转化为内能
【解析】
【详解】
①[1]从A到B过程，物块受力如图所示：
故选：C；
②[2]在整个过程中，对物块，由动能定理得：
mg(x1?x3)sin45°?μmgcos45°(x1+2x2+x3)=0?0，
解得：；
③[3]物块刚接触与刚离开弹簧时，弹簧形变量为零，弹性势能为零，物块的高度相同，物块重力势能相同，物块的机械能等于其动能，从物块刚接触弹簧到物块刚离开弹簧过程中，物块要克服摩擦力做功，部分机械能转化为内能，物块的机械能减少，因此物块刚接触弹簧时的动能大于刚离开弹簧时的动能；
2．AB 偏大 钩码也做匀加速运动，钩码重力大于细绳拉力, 导致拉力的功的测量值偏大
或: mg做功不仅增加小车动能，也增加砝码和砝码盘的动能
【解析】
【详解】
（1）两种方案都需要将导轨的右端垫高以平衡摩擦力，这样才能保证拉力的功等于合外力的功，选项A正确；两种方案都需要测量并记录小车的质量，这样才能求解小车的动能变化量，选项B正确；乙装置由于有力传感器，则不需要测量并记录托盘及托盘中砝码的总质量，也不要求托盘及盘中砝码总质量远小于小车A的质量，选项CD错误；故选AB.
（2）因纸带上相邻两点间还有四个点没画出，可知t=5T，打下C点时小车的速度大小为；
（3） 小车从开始运动到打下C点的过程动能的增量为；拉力的功W=Fs3，则应验证的表达式为；
（4）钩码也做匀加速运动，钩码重力大于细绳拉力，所以由钩码的重力代替拉力求解的功偏大，即导致拉力的功的测量值偏大；或者mg做功不仅增加小车动能，也增加砝码和砝码盘的动能.
【点睛】
本题考查探究功与速度变化的关系实验，解决本题的关键掌握纸带处理的方法，会通过纸带求解瞬时速度和动能增量，以及知道实验误差形成的原因，明确用钩码的重力代替绳的拉力的作用所带来的影响．
3．交流 同一位置 D D B GJ
【解析】
【详解】
（1）[1][2]．除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、刻度尺和交流电源；实验中对每次释放小车的位置要求是同一位置．
（2）[3] ．平衡摩擦力时要让小车拖着纸带最终在木板上匀速运动，即放开拖着纸带的小车，能够匀速下滑即可，故选D；
（3）[4]．实验中正确操作的情况下，小车的运动过程是先在橡皮条作用下做加速度减小的变加速运动，然后做匀速运动，故选D.
（4）[5]．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，橡皮条的弹力等于摩擦力，此时橡皮条仍处于拉伸状态，小车还没有运动到两铁钉的连线处，故选B.
（5）[6]．由纸带可看出，在纸带的GJ部分点迹已经是均匀分布了，说明小车做匀速运动，速度达到最大了，故选GJ部分进行测量.
4．打点计时器 交流电源 2.40cm 1.25m/s 小于 C
【解析】
【详解】
（1）[1][2]图中A仪器的名称为打点计时器，所用电源为交流电源．
（2）[3]纸带②b、c两点间距离为2.40cm；
（3）[4][5]纸带①c、e两点间的平均速度大小为
由于纸带①上c、e两点间的距离小于纸带②上c、e两点间的距离，则纸带①和②上c、e两点间的平均速度小于；
（4）[5]由甲装置中得到的纸带应该是匀加速运动的纸带；由乙装置得到的纸带应该是先加速后匀速运动的纸带，则纸带①为用装置甲实验所得，纸带②为用装置乙实验所得，故选C．
5．2.558（2.557～2.559 均正确） D
【解析】
【详解】
第一空.螺旋测微器的固定刻度为2.5mm，可动刻度为5.8×0.01mm=0.058mm，所以最终读数为2.5mm+0.058mm=2.558mm，即遮光条的宽度d=2.558mm．第二空.滑块通过光电门B的速度，根据动能定理得Fs=Mv2，则，要得到线性变化图象，若已经选定F作为纵坐标，则横坐标代表的物理量为()2，故D正确，ABC错误．第三空.根据可知，F-()2图象的斜率k=，解得：.
6．BCD v甲= mgh=
【解析】
【详解】
(1)[1]为了找出系统重力势能的减少量，应需测量出滑块乙的释放点距离光电门的高度h；为了测量滑块乙通过遮光条时的速度，应测量出遮光条的宽度d；如果要测量滑块甲的速度，还需测量出滑轮到竖直杆的距离l；因此需要测量的物理量有BCD；
(2)[2]当遮光条刚好通过光电门时，如图所示，
假设细线与竖直杆的夹角为α，滑块甲、乙的速度为v甲、v乙。则由有运动的合成与分解的知识可知：
v甲=v乙cosα
又
cosα=
滑块乙的速度为：
v乙=
因此滑块甲速度的表达式为：
v甲=；
(3)[3]系统重力势能的减少量为
△Ep=mgh
系统动能的增加量为：
△Ek=+=
要验证机械能守恒，则应有
△Ep=△Ek
整理得
mgh=
7．打点计时器的限位孔未在长木板中轴线 纸带未放置在复写纸下 ABE 194.1 g 大
【解析】
【详解】
（1）[1]打点计时器的限位孔未在长木板中轴线上；
[2]纸带未放置在复写纸下；
[3] 还需要的器材有：交流电源；相同的橡皮筋，测量长度的毫米刻度尺。故选ABE；
（2）[4]小车的质量等于砝码的总质量加上游码的质量，所以小车的质量为194.1 g；
[5]由纸带可知，给小车一个初速度后，打出的点之间的距离逐渐减小，说明平衡摩擦力不够，应该将木板的倾斜度调大些。
8． CD; ； 偏大；
【解析】(1)设摩擦因数为μ，在整个过程中，根据动能定理可知mgLsinθ-μmgcosθ?L-μmgx′=0，其中L为A的长度，x′为物体在B上滑行的位移，由于Lsinθ为木板A的顶端与O点的竖直高度h，Lcosθ为物体在A上滑行水平位移，故Lcosθ+x′为物体在水平方向的位移，故mgh-μmgx=0，求得摩擦因数，故A、B错误，C、D正确.
(2)由于木板C是圆弧状，实际滑行的距离比测量距离要大，故会使所测得的动摩擦因数比实际值偏大
【点睛】本题主要考查了利用动能定理求得摩擦因数，关键是抓住Lcosθ可以表示物体在水平方向通过的位移，即可判断.
9．0.235mm BCD
【解析】
【详解】
(1)[1]由游标卡尺测量出遮光片的宽度为

(2)[2][3]测出沙桶和细沙的总质量m，调整气垫导轨倾角，让滑块恰好在A处静止，则有
剪断细绳后，滑块开始加速下滑，滑块所受合力为
滑块沿气垫导轨滑行L，合外力对它所做功为
滑块过光电门的速度为
滑块沿气垫导轨滑行L过程，滑块动能变化量为：
若合外力对它所做功等于滑块动能的变化，则有：
整理得：
为得到线性关系图象，则应作图象，由图像的斜率为结合可得
(3)[4]A．据(2)分析知，滑块下滑过程中合力等于沙桶和细沙的总重力，所以A项不必要，故A错误；
B．应使A位置与光电门间的距离适当大些，减小测量L的相对误差，故B正确；
C．滑块过光电门的速度是用遮光片通过光电门的平均速度替代，则遮光片的宽度要适当小些，以减小速度测量的误差，故C正确；
D．细线与气垫导轨平行时，细线断后，滑块受到的合力才等于细线未断时细线中的拉力。故D正确。
10．ABD BC 5.00 1.25 D
【解析】
【详解】
(1)[1]A.实验中必须要使细绳与长木板平行，这样才能使得绳子的拉力等于小车的合外力，故A正确；
B.实验中小车和木板间存在摩擦，实验前需要平衡摩擦力，平衡摩擦力的方法是用一个小木块垫高长木板的一端，故B正确；
CD.在本实验中，我们认为细线拉力的大小等于小盘及砝码（其总质量为m）的总重力，而实际上细线的拉力：
解得：
故细线的拉力小于小盘及砝码的总重力，为了减小误差，实验时应要求小盘及砝码的质量远小于小车的质量，故C错误，D正确；
(2)[2]AB.实验中改变拉力做功时，为了能定量，所以用不同条数的橡皮筋且拉到相同的长度，这样橡皮筋对小车做的功就有倍数关系．而不需要测量出每根橡皮筋做功的数值，故A错误，B正确；
C.使用橡皮筋对小车所做功等于合外力的功，实验前要平衡摩擦力，长木板要适当倾斜，以平衡小车运动中受到的阻力，故C正确；
D.计算时应取小车匀速的最大速度，此时橡皮筋对小车做功达到最大，故D错误；
(3)[3]刻度尺的分度值为，读出纸带①上、点间距离为；[4]该纸带、两点间的平均速度大小为
(4)[5]装置甲实验中小车做匀加速直线运动，所以相邻的计时点的间距之差相等，装置乙实验中小车受橡皮筋的弹力越来越小，所以做加速度减小的变加速直线运动，以相邻的计时点的间距之差减小，所以纸带②为用装置甲实验所得，纸带①为用装置乙实验所得；
A.与分析不符，故A错误；
B. 与分析不符，故B错误；
C. 与分析不符，故C错误；
D. 与分析相符，故D正确．
11．M>>m 轨道不水平，右端高于左端
【解析】
【分析】
考查实验“验证动能定理”、“验证机械能守恒定律”。
【详解】
（1）要使绳中的拉力近似等于钩码的重力，则应满足M>>m；滑块通过光电门的瞬时速度为： ，所以表达式为：
（2）系统机械能守恒，即系统重力势能的减少量等于系统动能的增加量，即：
试验时，默认系统重力势能的减少量就是钩码重力势能的减少量，若实验时轨道不水平，下滑过程中滑块的重力势能也会发生变化，但没有计入，若实验时右端高于左端，则低于实际重力势能减少量，表达式中的动能增量总是大于钩码重力势能的减少量。
12． (1)6V交流电源、刻度尺、导线? （2）B? (3)②③
【解析】（1）在实验准备过程中，小诗整理了一些实验器材如图乙所示，还缺少的两个器材是：6V交流电源、刻度尺、导线；（2）电磁打点计时器纸带应压在复写纸的下面，故B更合理；（3）①平衡摩擦力是在实验之前，所以对“实验中每条橡皮筋做相同的功”这一要求没有帮助；②应选长短、粗细一样的橡皮筋若干，保证每条橡皮筋弹力相同，③每次实验都让小车从同一地点静止释放，保证位移相同，故对“实验中每条橡皮筋做相同的功”这一要求有帮助；故选：②③点睛：本题考查了实验器材、实验注意事项与实验数据处理方法，掌握实验原理与实验器材、实验注意事项即可解题；本题是一道基础题，掌握基础知识即可解题，平时要注意基础知识的学习与掌握．