Question

【題目】某同學為探究“合力做功與物體動能改變的關系”，設計了如下實驗，他的操作步驟是:

A.按如圖擺好實驗裝置;

B.將質量M=0.2kg的小車拉到打點計時器附近，并按住小車;

C.在總質量m分別為20g、30g、40g的三種鉤碼中，挑選了一個質量為40g的鉤碼掛在拉線的掛鉤上;

D.接通打點計時器的電源(電源頻率為f=50Hz)，然后釋放小車，打出一條紙帶.
①多次重復實驗，從中挑選一條點跡清晰的紙帶如圖所示.把打下的第一點記作“0”，然后依次取若干個計數點，相鄰計數點間還有4個點未畫出，用毫米刻度尺測得各計數點到0點距離分別為 ，他把鉤碼重力(當地重力加速度作為小車所受合力算出打下“0”點到打下“5”點合力做功.則合力做功W=________J，小車動能的改變量_____________J（結果均保留三位有效數字）
②此次實驗探究的結果，他沒能得到“合力對物體做的功等于物體動能的增量”，且誤差很大，顯然，在實驗探究過程中忽視了各種產生誤差的因素.請你根據該同學的實驗裝置和操作過程幫助分析一下，造成較大_________（“系統”或“偶然”）誤差的主要原因是___________________________________________；_____________________________________________________________________________(寫出兩條即可)

Answer 1

【答案】0.0735； 0.0572； 系統； 未平衡摩擦力； 小車質量未遠大于購碼質量；

【解析】

①將砝碼重力當作小車所受合外力，根據功的定義可以正確解答，根據勻變速直線運動中時間中點的瞬時速度等于該過程中的平均速度可以求出第5個點的速度大小，進一步求出其動能大小；
②實驗誤差主要來自由實驗原理不完善導致的系統誤差；

①從打下第一點到打下第5點拉力對小車做的功為：；

根據中間時刻的瞬時速度等于這段時間的平均速度，則：

小車動能的改變量：

②該實驗產生誤差的主要原因：

一是鉤碼重力大小并不等于繩子拉力的大小，設繩子上拉力為F，對小車根據牛頓第二定律有：
對鉤碼有：

聯立得到：

由此可知當時，鉤碼的重力等于繩子的拉力，顯然該實驗中沒有滿足這個條件；
二是該實驗要進行平衡摩擦力操作，否則也會造成較大誤差

顯然，這是由于系統不完善而造成的系統誤差。