Question

Ⅰ某探究學習小組的同學欲驗證動能定理，他們在實驗室組裝了一套如圖所示的裝置，另外他們還找到了打點計時器所用的學生電源、導線、復寫紙、紙帶、小木塊、細沙．當滑塊連接上紙帶，用細線通過滑輪掛上空的小沙桶時，釋放小桶，滑塊處于靜止狀態．若你是小組中的一位成員，要完成該項實驗，則：

（1）你認為還需要的實驗器材有

 

．
（2）實驗時為了保證滑塊受到的合力與沙桶的總重力大小基本相等，沙和沙桶的總質量應滿足的實驗條件是

 

，實驗時首先要做的步驟是

 

．
Ⅱ．在用落體法驗證機械能守恒定律時，某同學按照正確的操作選得紙帶如圖．其中O是起始點，A、B、C是打點計時器連續打下的3個點．該同學用毫米刻度尺測量O到A、B、C各點的距離，并記錄在圖中（單位cm）．
（1）這三個數據中不符合有效數字讀數要求的是

 

，應記作

 

cm．
（2）該同學用重錘在OB段的運動來驗證機械能守恒，已知當地的重力加速度g=9.80m/s²，他用AC段的平均速度作為跟B點對應的物體的即時速度，則該段重錘重力勢能的減少量為

 

，而動能的增加量為

 

，（均保留3位有效數字，重錘質量用m=0.1kg）．這樣驗證的系統誤差總是使重力勢能的減少量

 

動能的增加量，原因是

 

．

Answer 1

分析：I、（1）根據實驗原理，得到需要驗證的表達式，從而確定需要的器材．
（2）實驗要測量滑塊動能的增加量和合力做的功，用沙和沙桶的總質量表示滑塊受到的拉力，對滑塊受力分析，受到重力、拉力、支持力和摩擦力，要使拉力等于合力，必須使重力的下滑分量等于摩擦力；同時重物加速下降，處于失重狀態，故拉力小于重力，可以根據牛頓第二定律列式求出拉力表達式分析討論在什么情況下合力與沙桶的總重力大小基本相等．
II、（1）毫米刻度尺最小刻度是1mm，所以需要估讀到下一位．
（2）根據勻變速直線運動中時間中點的速度等于該過程中的平均速度，可以求出動能的增加量：

1

2

mv2；根據重力做功和重力勢能的關系，可以求出重力勢能的減小量：mgh；由于物體下落過程中存在摩擦阻力，因此動能的增加量小于勢能的減小量．

解答：解：（1）①以小車為對象驗證“動能定理”，合外力做的功為：mgL，小車動能的變化量為：

1

2

M

v

2 2

-

1

2

M

v

2 1

，所以我們需要驗證：mgL=

1

2

M

v

2 2

-

1

2

M

v

2 1

，需要測量或計算的物理量為：m，M，L，v，所以還需要的儀器有：天平、刻度尺．
②設繩子上拉力為F，對小車根據牛頓第二定律有：
F=Ma    ①
對砂桶和砂有：mg-F=ma   ②
F=

mgM

M+m

=

mg

1+ m M

，由此可知當M＞＞m時，砂和砂桶的重力等于繩子的拉力，同時要平衡摩擦力．
故答案為：沙和沙桶的總質量遠小于滑塊的質量，平衡摩擦力．
II、（1）毫米刻度尺測量長度，要求估讀即讀到最小刻度的下一位，因此這三個數據中不符合有效數字讀數要求的是OC段：15.7，應記作15.70cm．
故答案為：OC　15.70．
（2）重力勢能減小量：△E_p=mgh=9.8×0.1242m J=1.22mJ
中間時刻的瞬時速度等于該過程中的平均速度來求B的速度大小：
vB=

xAC

2T

=1.55m/s
EkB=

1

2

m

v

2 B

=1.20mJ
由于物體下落過程中存在摩擦阻力，因此動能的增加量小于勢能的減小量．
故答案為：大于；因為有摩擦生熱，減少的重力勢能一部分轉化為內能．

點評：正確解答實驗問題的前提是明確實驗原理，從實驗原理出發進行分析所需實驗器材、實驗步驟、所測數據等，會起到事半功倍的效果．