Question

5．第二组同学利用下图所示的实验装置，验证钩码和滑块所组成的系统从由静止释放到通过光电门这一过程机械能守恒．实验开始时，气轨已经调成水平状态．

（1）已知遮光条的宽度为d，实验时将滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间为t，则滑块经过光电门时的速度为$\frac{d}{t}$．
（2）在本次实验中还需要测量的物理量有（文字说明并用相应的字母表示）：钩码的质量m、滑块的质量M和释放时挡光片到光电门的距离L．
（3）本实验通过比较$\frac{1}{2}（M+m）\frac{{d}^{2}}{{t}^{2}}$和mgL （用测量的物理量符号表示）在实验误差允许的范围内是否相等，从而验证系统的机械能是否守恒．
（4）在本次实验中钩码的质量不需要远小于滑块的质量．（填“需要”或者“不需要”）

Answer 1

分析 （1）根据极短时间内的平均速度等于瞬时速度求出滑块经过光电门时的速度．
（2、3）根据系统重力势能的减小量和动能的增加量是否相等验证系统机械能是否守恒，结合表达式确定还需要测量的物理量．
（4）本实验中不需要满足钩码的重力等于绳子的拉力，则不需要满足钩码的质量远小于滑块的质量．

解答 解：（1）根据极短时间内的平均速度等于瞬时速度知，滑块经过光电门时的速度v=$\frac{d}{t}$；
（2、3）系统重力势能的减小量为mgL，系统动能的增加量$△{E}_{k}=\frac{1}{2}（M+m）{v}^{2}=\frac{1}{2}（M+m）\frac{{d}^{2}}{{t}^{2}}$，通过比较）$\frac{1}{2}（M+m）\frac{{d}^{2}}{{t}^{2}}$与mgL是否相等验证系统机械能守恒，可知还需要测量滑块的质量M、释放时挡光片到光电门的距离L．
（4）本实验中不需要满足钩码的重力等于绳子的拉力，则不需要满足钩码的质量远小于滑块的质量．
故答案为：（1）$\frac{d}{t}$ （2）滑块的质量M、释放时挡光片到光电门的距离L； （3）$\frac{1}{2}（M+m）\frac{{d}^{2}}{{t}^{2}}$，mgL，（4）不需要．

点评 解决本题的关键知道实验的原理，抓住重力势能的减小量和动能的增加量是否相等进行验证，知道极短时间内的平均速度等于瞬时速度，难度不大．