题目内容

5.利用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置如图1所示,水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨;导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块,其总质量为M,左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的小球相连;遮光片两条长边与导轨垂直;导轨上B点有一光电门,可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t,用d表示A点到光电门B处的距离,b表示遮光片的宽度,将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度,实验时滑块在A处由静止开始运动.
 
(1)用游标卡尺测量遮光条的宽度b,结果如图2所示,由此读出b=3.80 mm;
(2)某次实验测得倾角θ=30°,重力加速度用g表示,滑块从A处到达B处时m和M组成的系统动能增加量可表示为△KK=$\frac{1}{2}(M+m)\frac{{b}^{2}}{{t}^{2}}$,系统的重力势能减少量可表示为△KP=mgd-Mgdsinθ,在误差允许的范围内,若△KK=△KP则可认为系统的机械能守恒;(用题中字母表示)
(3)在上次实验中,某同学改变A、B间的距离,作出的v2-d图象如图3所示,并测得M=m,则重力加速度g=9.6 m/s2.(计算结果取二位有效数字)

分析 (1)游标卡尺读数的方法是主尺读数加上游标读数,不需估读.不同的尺有不同的精确度,注意单位问题.
(2)根据重力做功和重力势能之间的关系可以求出重力势能的减小量,根据起末点的速度可以求出动能的增加量;根据功能关系得重力做功的数值等于重力势能减小量.

解答 解:(1)游标卡尺的主尺读数为3mm,游标读数为0.05×16mm=0.80mm,则b=3.80mm.
(2)B点的瞬时速度${v}_{B}=\frac{b}{t}$,滑块从A处到达B处时m和M组成的系统动能增加量$△{E}_{k}=\frac{1}{2}(M+m){{v}_{B}}^{2}$=$\frac{1}{2}(M+m)\frac{{b}^{2}}{{t}^{2}}$.
系统的重力势能减少量△Ep=mgd-Mgdsinθ.
(3)根据$\frac{1}{2}(M+m){v}^{2}=(mg-Mgsinθ)d$得,${v}^{2}=\frac{2(mg-Mgsinθ)d}{M+m}$,因为M=m,则有:${v}^{2}=\frac{1}{2}gd$,由图线得,$\frac{1}{2}g=\frac{2.4}{0.5}$,解得g=9.6m/s2.
故答案为:(1)3.80,(2)$\frac{1}{2}(M+m)\frac{{b}^{2}}{{t}^{2}}$.mgd-Mgdsinθ,(3)9.6.

点评 本题考查了系统机械能守恒问题,注意研究的对象是系统,知道极短时间内的平均速度等于瞬时速度,以及掌握游标卡尺的读数方法.

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