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7.光电计时器是一种研究物体运动情况的常见仪器.当有物体从光电门通过时,光电计时器就可以显示物体的挡光时间.现利用如图甲所示装置探究物体的加速度与合外力、质量关系,适当调节木板倾斜程度,以绳的拉力作为小车所受的合力.其 中NQ是水平桌面,PQ是一端带有滑轮的长木板,1、2是固定在木板上的两个光电门(与之连接的两个光电计时器没有画出).小车上固定着用于挡光的窄片K,测得其宽度为d,让小车从木板的顶端滑下,光电门各自连接的计时器显示窄片K的挡光时间分别为t1和t2.
(1)该实验中,若取小车质量M=0.4kg,改变砂桶和砂的质量m的值,进行多次实验,以下m的值不合适的是D.
A.m1=5g        B.m2=10g         C.m3=20g      D.m4=1kg
(2)为了计算出小车的加速度,除了测量 d、t1和t2之外,还需要测量1,2两个光电门之间的距离,若上述测量量用x表示,则用这些物理量计算加速度的表达式为a=$\frac{{d}^{2}({t}_{1}^{2}-{t}_{2}^{2})}{2x{t}_{1}^{2}{t}_{2}^{2}}$;
(3)某位同学经过测量、计算得到如表数据,请在图乙中作出小车加速度与所受合外力的关系图象.
组别1234567
M/kg0.580.580.580.580.580.580.58
F/N0.100.150.200.250.300.350.40
a/m•s-20.130.170.260.340.430.510.59
(4)由图象可以看出,该实验存在着较大的误差,产生误差的主要原因是:木板倾角偏小(或“平衡摩擦力不足”或“末完全平衡摩擦力”).

分析 (1)根据实验原理可知,只有当满足M>>m时沙桶的总重力才可看作小车的合外力.
(2)通过测量的d、t1和t2可以求出小车通过光电门1、2时的速度大小,如果知道了小车通过光电门1和2的时间或者位移,根据运动学公式即可求出物体的加速度,据此可正确解答本题.
(3)运用描点法作图;
(4)由图可知开始有外力时,而小车的加速度为零,说明操作过程中没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足.

解答 解:(1)根据牛顿第二定律得:
对m:mg-T=ma
对M:T=Ma
解得:T=$\frac{mg}{1+\frac{m}{M}}$
当M>>m时,即当沙桶的总重力要远小于小车的重力,绳子的拉力近似等于沙桶的总重力;
因此D选项不合适,故选:D.
(2)通过光电门的测量我们计算出了通过光电门1的速度为:v1=$\frac{d}{{t}_{1}}$,
通过2时的速度为:v2=$\frac{d}{{t}_{2}}$
如果测量出小车由光电门1运动至光电门2的间距s,
a=$\frac{{v}_{2}^{2}-{v}_{1}^{2}}{2s}$,
若上述测量量用x表示,则用这些物理量计算加速度的表达式为a=$\frac{{d}^{2}({t}_{1}^{2}-{t}_{2}^{2})}{2x{t}_{1}^{2}{t}_{2}^{2}}$
(3)运用描点法作出小车加速度与所受合外力的关系图象.

(4)由图乙可知,开始小车受合外力时,加速度却为零,因此操作过程中可能没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足.
故答案为:(1)D;
 (2)1,2两个光电门之间的距离,$\frac{{d}^{2}({t}_{1}^{2}-{t}_{2}^{2})}{2x{t}_{1}^{2}{t}_{2}^{2}}$ 
   (3)如图所示;
(4)木板倾角偏小(或“平衡摩擦力不足”或“末完全平衡摩擦力”)

点评 本实验与教材中的实验有所不同,但是根据所学物理知识,明确了实验原理,即可正确解答.

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