2019-2020学年高中物理沪科版必修2：3.1探究动能变化跟做功的关系 课时作业3（含解析）

3.1探究动能变化跟做功的关系
课时作业（含解析)
1．利用图示的实验装置探究合力做功与动能变化的关系。
(1)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
(2)甲小组同学正确平衡了阻力，选取的砝码和盘的总质量m远小于小车的质量M，取砝码的总重力值作为绳子的拉力值，按正确操作得到图示的一条纸带。在纸带上选取三个连续计时点A、B、C，测得它们到静止释放的起始点O的距离分别为SA、SB、SC打点计时器的工作频率为f，己知当地重力加速度为g，从O到B的运动过程中，拉力对小车做功W＝____，小车动能变化量△Ek＝______________。
(3)乙小组同学也正确平衡了阻力，但并未保证选取的砝码和盘的总质量m远小于小车的质量M。在处理数据时，他们也取砝码和盘的总重力值作为绳子的拉力值，并采用图像法进行数据分析：在纸带上选取多个计数点，测量静止释放的起始点O到每个计数点的距离，并计算出每个计数点对应的小车速度v以及从O点到该计数点对应的过程中绳子拉力所做的功W。他们作出的图线为__________
A．
B．
C．
D．
2．某探究学习小组的同学要验证“牛顿第二定律”，他们在实验室组装了一套如图所示的装置，水平轨道上安装两个光电门，小车上固定有力传感器和挡光板，细线一端与力传感器连接，另一端跨过定滑轮挂上砝码盘。实验首先保持轨道水平，通过调整砝码盘里砝码的质量让小车做匀速运动以实现平衡摩擦力，再进行后面的操作，并在实验中获得以下测量数据：小车、力传感器和挡光板的总质量M，平衡摩擦力时砝码和砝码盘的总质量m0，挡光板的宽度d，光电门1和2的中心距离s。
（1）该实验是否需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于车的质量___________(选填“需要”或“不需要”)。
（2）实验需用游标卡尺测量挡光板的宽度d，如图所示，d=________mm
（3）某次实验过程：力传感器的读数为F，小车通过光电门1和2的挡光时间分别为(小车通过光电门2后，砝码盘才落地)已知重力加速度为g，则该实验要验证的表达式是________________。
3．某同学用如图1所示的装置做”探究合力做功与动能变化的关系”的实验。装置中装有细砂的砂桶与小车通过绕过定滑轮的细线相连，小车后端固定穿过打点计时器的纸带，打点计时器接频率为50HZ的电源。
（1）实验时先不挂砂桶，反复调整垫木的位置，直到小车做匀速直线运动，这样做的目的是_____
A．平衡小车所受的摩擦力，使小车所受细线拉力等于小车所受的合力
B．平衡小车所受的摩擦力，使小车运动过程中摩擦力对小车做功为零
C．平衡小车所受的摩擦力，使砂和砂桶的重力的大小近似等于小车所受的合力的大小
（2）挂上装有细砂的沙桶后，通过实验得到如图2所示的纸带，纸带上O点为小车运动起始时刻所打的点，在纸带上标出了连续的3个记数点A、B、C，相邻两个计数点之间都有4个点迹没有标出，测出各记数点到O点之间的距离分别为sOA＝16.3cm，sOB＝25.3cm，sOC＝36.3cm。实验时小车所受细线的拉力大小为0.2N，小车的质量为0.1kg。则通过计算可知，从O至B的运动过程中，小车所受的合外力做功W＝_____J，小车动能的变化量△EK＝_____J（结果保留至小数点后3位）。
4．如图甲所示，是某研究性学习小组做探究“探究功与速度变化的关系”的实验，图中是小车在一条橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行，这时，橡皮筋对小车做的功记为W．当我们用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，橡皮筋对小车做功为2W，3W…小车每次实验过程中的运动由打点计时器所打的纸带记录．
(1)安装橡皮筋前，为了消除摩擦力的影响，应调节木板一侧的高度，直到向下轻推小车后观察到_______;
(2)关于该实验，下列说法正确的是________
A．实验前先平衡摩擦力是为了保证橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功
B．每次实验中，橡皮筋拉伸的长度必须保持一致
C．每次实验必须设法算出橡皮筋对小车做功的具体数值
D．每次实验小车必须从同一位置由静止弹出
(3)图乙给出了某次实验打出的纸带，从中截取了一段纸带，已知相邻两点时间间隔为0.02s，则橡皮筋松弛后小车获得的速度v=_______m/s(结果保留两位有效数字)．
(4)以v2为纵坐标，以橡皮筋作的功W为横坐标，利用实验数据作出v2-W图象如图丙，由此图象可得v2与W的关系为______．根据我们学过的功与能相关知识，猜想影响图线斜率的物理量可能有_____(写出一个即可)．
5．做“探究功与速度变化的关系”实验,，有如下图所示的两种实验方案
(1)若采用如图1所示的实验方案，
①关于橡皮筋做功，下列说法正确的是___
A．橡皮筋做功的具体值可以直接测量
B．橡皮筋在小车运动的全程中始终做功
C．通过增加橡皮筋的条数可以使橡皮筋对小车做的功成整数倍增加
D．若橡皮筋伸长量变为原来的2倍，则橡皮筋做功也增加为原来的2倍
②在正确操作情况下，打在纸带上的点如图3所示，点与点之间的时间间隔为。请求出此次橡皮筋做功后小车最终获得的速度为_____
(结果保留2位小数)。
(2)若采用如图2所示的实验方案，尝试通过测得细绳拉力(
近似等于悬挂重物重力)做的功和小车获得的速度值进行探究，则:
①除图2所示器材外，另外准备了打点计时器的墨粉纸盘、纸带、小车、细沙、刻度尺，为完成实验还需要下图4中的实验器材是_____
(
填写相应器材的名称)。
②下列说法正确的是______
A．该方案不需要平衡摩擦力
B．该方案操作时细线应该与木板平行
C．该方案处理数据时应选择匀速运动时的速度
D．该方案中要使小车的质量远大于小沙桶和桶中沙的质量
③按图2所示装置调整完毕后接通电源，释放小车，打出一条纸带，然后以为纵坐标，为横坐标，利用实验数据做出如图5所示的正图象。由此图象可得随变化的表达式为_____。
6．探究外力做功与物体动能变化关系的实验装置如图甲所示，根据实验中力传感器读数和纸带的测量数据等可分别求得外力对小车做的功和小车动能的变化．
（1）关于该实验，下列说法中正确的有（__________）
A．调整滑轮高度，使连接小车的细线与木板平行
B．实验中要始终满足钩码的质量远小于小车的质量
C．若纸带上打出的是短线，可能是打点计时器输入电压过高造成的
D．平衡摩擦力时，调整垫块的高度，改变钩码质量，使小车能在木板上做匀速运动
（2）除了图甲中注明的器材外，实验中还需要交流电源、导线、刻度尺和____________
（3）某次实验中打出了一条纸带，其中一部分如图乙所示：
若各个打点是连续的计时点，A、B、D、E、F各点与O点间的距离如图，设小车质量为m，打点周期为T，本次实验过程中力传感器的读数为F.
则A到E过程外力做功W＝______，小车动能变化ΔEk＝______；在不同次实验中测得多组外力做功Wi和对应的动能变化ΔEki的数据，作出W-ΔEk图象如图丙所示，图线斜率约等于1，由此得出的结论是_________．
7．如图示，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“探究功与速度的关系”的实验。
（1）实验中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正确操作方法是_____（选填选项前的字母）。
A．将长木板带滑轮的左端垫高
B．将长木板不带滑轮的右端垫高
在_____（选填选项前的字母）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。
A．不挂重物
B．挂上重物
（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2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点到打某计数点的过程中，拉力对小车做的功W，打某计数点时小车的速度v.同时以v2为纵坐标，W为横坐标，利用实验数据作出如图3所示的v2﹣W图象.分析实验图象：该图线与斜率有关的物理量应是_____（选填选项前的字母）.
A．加速度
B．位移
C．质量
D．时间
8．如图所示为“探究功与速度变化的关系”实验装置，让小车在橡皮筋的作用下弹出，沿木板滑行。实验操作中需平衡小车受到的摩擦力，其最根本的目的是（______）
A．防止小车不能被橡皮筋拉动
B．便于小车获得较大的弹射速度
C．保证橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功
D．保证橡皮筋对小车做的功等于重力对小车做的功
9．如某实验小组利用图甲所示的实验装置探究恒力做功与动能改变量的关系。所挂砝码质量为
m，重力加速度为
g。
(1)平衡小车所受阻力的操作如下：取下砝码，把木板不带滑轮的一端垫高；接通打点计时器
电源，轻推小车，让小车拖着纸带运动，如果打出的纸带如图乙所示，则应适当______（选填“增大”或“减小”）木板的倾角，直到纸带上打出的点迹____为止。
(2)在满足砝码质量
m
远小于小车质量
M
的情况下，某次实验正确操作后，根据测得的实验数
据描绘出的图线如图丙所示，其中横坐标
s
为小车从静止开始发生的位移，纵坐标为小车运动速度大小的平方。若已知图中直线的斜率为k，小车质量
M=_____。（用
m、g、和
k
表示）
(3)在纸带上选取先后打出的
A、B
两计数点，设
A、B
两计数点间的距离为
d，打这两点时小
车对应的速度分别为
vA、vB，若砝码质量
m
不是远小于小车质量
M,则本实验需验证表达式________在误差范围内是否成立。（用
m、M、g、d、vA
和
vB
表示）
10．如图所示的实验装置，可用于探究力对静止物体做功与物体获得速度的关系．
（1）实验中，小车会受到摩擦阻力的作用，可以使木板适当倾斜来平衡掉摩擦阻力，下面操作正确的是_______．
A．放开小车，小车能够自由下滑即可
B．放开小车，小车能够匀速下滑即可
C．放开拖着纸带的小车，小车能够自由下滑即可
D．放开拖着纸带的小车，小车能够匀速下滑即可
（2）关于橡皮筋做功，下列说法正确的是_______．
A．橡皮筋做的功可以直接测量
B．通过增加橡皮筋的条数可以使橡皮筋对小车做的功成整数倍增加
C．橡皮筋在小车运动的全程中始终做功
D．把橡皮筋拉伸为原来的两倍，橡皮筋做功也增加为原来的两倍．
参考答案
1．D
mgSB
B
【解析】
【详解】
(1)[1].实验过程中，为减少误差，提高实验的精确度，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，目的是消除摩擦带来的误差，即平衡摩擦力后，使细绳的拉力等于小车的合力，故ABC错误，D正确。
(2)[2].拉力做功为：
W=FSB=mgSB，
[3].B点的速度为：
故动能增加量为：
；
(3)[4].在纸带上选取多个计数点，测量静止释放的起始点O到每个计数点的距离，根据动能定理可得W=mv2，所以W∝v2，故B正确，ACD错误。
2．不需要
5.50
【解析】
【详解】
(1)[1].该实验中由于已经用传感器测出绳子拉力大小，不是将砝码和砝码盘的重力作为小车的拉力，故不需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量；
(2)[2].挡光板的宽度:d=5mm+0.05mm×10=5.50mm；
(3)[3].由于光电门的宽度d很小，所以我们用很短时间内的平均速度代替瞬时速度。滑块通过光电门1速度为：
滑块通过光电门2速度为：
根据功能关系需要验证的关系式为：
即：
.
3．A
0.051
0.050
【解析】
【详解】
(1)[1]实验时先不挂沙桶，反复调整垫木的左右位置，直到小车做匀速直线运动，目的是平衡摩擦力，使小车受到的拉力就是小车受到的合力，故选项A正确，选项BC错误。
(2)[2]从O至B的运动过程中，小车所受的合外力做功：
[3]先求出打下B的速度：
小车动能的变化量：
4．纸带上打下的点间距均匀
ABD
0.81
v2与W成正比
小车的质量
【解析】
【详解】
(1)[1]安装橡皮筋前，平衡摩擦力后，小车做匀速运动，轻推小车后观察到纸带上打下的点间距均匀。
(2)[2]A.
实验前先平衡摩擦力是为了保证橡皮筋对小车做的功等于合外力对小车做的功，故A正确。
B.为了保证每根橡皮条每次对小车做功相同，每次实验中，橡皮筋拉伸的长度必须保持一致，故B正确。
C.该实验不需算出橡皮筋对小车做功的具体数值，而是通过改变橡皮条的根数使对小车做的功成倍增加，故C错误。
D.
为了减小实验误差，每次实验小车必须从同一位置由静止弹出，故D正确。
(3)[3]取匀速段计算速度
(4)[4][5]根据图像可知v2与W成正比，根据动能定理可知
，所以影响斜率的物理量可能为小车的质量。
5．C
1.08-1.12
天平
BD
【解析】
【详解】
（1）[1]①A.橡皮筋的拉力是一个变力，我们无法用W=Fx进行计算。故A错误。
B.小车在橡皮条的拉力作用下先加速运动，当橡皮条恢复原长时，小车由于惯性继续前进，做匀速运动。故B错误。
C.橡皮筋伸长量按倍数增加时，功并不简单地按倍数增加，变力功无法确切测算。因此我们要设法回避求变力做功的具体数值，可以用一根橡皮筋做功记为W，用两根橡皮筋做功记为2W，用三根橡皮筋做功记为3W，从而回避了直接求功的困难。故C正确。
D.橡皮筋的拉力是一个变力，根据
可知，x变为原来的2倍，做功比原来的两倍要大。故D错误。
②[2]由图可知，O点到F之间距离逐渐增大，F点与I点之间相邻点之间的距离近似相等，其中F与H之间的距离为：
x=12.30cm-7.90cm=4.80cm，
小车匀速直线运动的速度为：
（2）①[3]在“探究功与速度变化的关系”实验中，需要知道砂桶与小车的质量，因此还差天平；
②[4]A.为了使绳中的拉力为小车的合外力，实验中需要平衡摩擦力，故A错误。
B.实验中细线应该与木板平行，保证拉力与木板平行，故B正确。
C.该方案中小车做的匀变速运动，故C错误。
D.该方案中为了保证砂和砂桶的重力与小车合外力相等，要使小车的质量远大于小沙桶和桶中沙的质量，故D正确。
③[5]由图示图线可知：
则v2随W变化的表达式为：v2=4.68W；
6．AC
天平
外力对物体做的功等于物体动能的增量
【解析】
【详解】
试题分析：实验要验证外力对物体做的功等于物体动能的增量，所以需要根据求解外力做的功，根据匀变速直线运动过程中的中间时刻速度等于该段过程中的平均速度求解速度，从而求解动能的变化量，图像的斜率表示,所以若斜率为1，则说明两者相等，从而得出外力对物体做的功等于物体动能的增量的结论．
（1）为了使得绳子的拉力等于小车的合力，应使得连接小车的细线与木板平行，A正确；由于本实验中绳子的拉力可以通过力传感器读出，所以不需要始终满足钩码的质量远小于小车的质量，B错误；打的不是点，而是短线：可能是因为振针过低，也可能是所加电压过高，使振幅过大，二者导致于纸带接触的时间过长而是短线，C正确；在平衡摩擦力时，在小车不悬挂钩码的倾斜下，调整垫块的高度，使得小车能在木板上做匀速直线运动，即可，D错误；
（2）因为要计算小车的动能，所以还需要测量小车的质量，故需要天平；
（3）外力做功，根据匀变速直线运动中间时刻速度推论可知，，故动能变化量为，图线斜率约等于1，则，所以可得外力对物体做的功等于物体动能的增量．
7．B
A
C
【解析】
【详解】
（1）[1]平衡摩擦力时：把长木板的不带滑轮右端适当垫高，故选B.
[2]然后让小车与纸带相连，在不挂重物的情况下，轻推小车，小车做匀速直线恰好平衡摩擦力，故选A.
（2）[3]由于近似认为拉力等于重力，根据W=Fs可知，设力做功为W，拉力做的功转化为小车的动能，即：
以v2为纵坐标，W为横坐标，图线的斜率：
，
可见该图线与斜率有关的物理量应是小车的质量，与加速度、小车的位移、运动的时间都无关，故选C.
8．C
【解析】
【详解】
小车下滑时受到重力、细线的拉力、支持力和摩擦力，要使拉力等于合力，则应该用重力的下滑分量来平衡摩擦力，使得橡皮筋做的功等于合外力对小车做的功。
A.A项与上述分析结论不相符，故A错误；
B.B项与上述分析结论不相符，故B错误；
C.C项与上述分析结论相符，故C正确；
D.D项与上述分析结论不相符，故D错误。
9．减小
均匀
【解析】
【详解】
(1)[1][2]从纸带上来看，纸带相等时间内的位移越来越大，做加速运动，要平衡摩擦力，则需减小木板的倾角，使小车做匀速直线运动，即打出的点迹均匀；
(2)[3]
根据可得，则有，图线的斜率，对系统研究，根据牛顿第二定律可得，则有，解得小车质量；
(3)[4]对系统研究，外力做功为，系统动能的变化量为，即验证表达式；
10．D
B
【解析】
试题分析：小车受到重力、支持力、摩擦力和细线的拉力，要使拉力等于合力，必须使重力的下滑分量平衡摩擦力，摩擦力包括纸带受到的摩擦和长木板的摩擦；小车在橡皮条的拉力作用下先加速运动，当橡皮条恢复原长时，小车由于惯性继续前进，做匀速运动，并且橡皮筋的拉力是一个变力，我们无法用进行计算．
（1）小车受到重力、支持力、摩擦力和细线的拉力，要使拉力等于合力，必须使重力的下滑分量平衡摩擦力，而摩擦力包括纸带受到的摩擦和长木板的摩擦，D正确．
（2）橡皮筋的拉力是一个变力，我们无法用进行计算，A错误；橡皮筋伸长量按倍数增加时，功并不简单地按倍数增加，变力功一时无法确切测算．因此我们要设法回避求变力做功的具体数值，可以用一根橡皮筋做功记为W，用两根橡皮筋做功记为2W，用三根橡皮筋做功记为3W…，从而回避了直接求功的困难，B正确；小车在橡皮条的拉力作用下先加速运动，当橡皮条恢复原长时不再做功，C错误；橡皮筋的拉力是一个变力，我们无法用进行计算，x变为原来的2倍，Fx比原来的两倍要大，D错误．