Question

17．为验证“拉力做功与气体动能改变的关系”，某同学到实验室找到了以下器材：一端带有滑轮的长木板、电磁打点计时器、小车（质量为300g）、质量分别为10g、2g和50g的钩码、学生电源（有“直流”和“频率为50Hz的交流”两挡）、导线、开关、细线等．同学们进行如下操作：
A．用导线连接打点计时器、开关和学生电源“50Hz交流挡”，然后按图a所示组装实验装置
B．将质量为300g的小车拉到打点计时器附近，并按住小车
C．选用50g的钩码挂在拉线上
D．释放小车，然后接通打点计时器的电源，打出一条纸带
E．在多次重复实验得到的纸带中，选出一条点迹清晰的纸带，如图b所示
F．进行数据采集与处理
G．实验完毕，整理复位实验器材

请同学们完成下列问题：
（1）该同学的操作过程哪步是明显错误的D（填相应的字母）
（2你认为该同学的操作过程中缺漏的环节是没有平衡摩擦力．
（3）该同学把纸带上打出的第一个点标为“0”，且认为打该点时小车的速度为零，其后依次标出计数点1、2、3、4、5、6（相邻两个计数点间还有四个点未画），如图b所示．该同学测量出计数点0到计数点3、4、5的距离，并标在图b上．则在打计数点4时，小车的速度为0.58m/s；如果将钩码的重力在数值上当作小车所受的拉力，则在打计数点0到4的过程中，拉力对小车做的功为0.059J，小车的动能增量为0.050J．取重力加速度g=9.8m/s²，结果均保留两位有效数字）
（4）由（3）中数据发现，该同学并没有得到“拉力对消除做的功等于小车动能的增量”的结论，且对其它点（如2、3、5）点进行计算的结果与“4”计数点相似，你认为产生这种实验结果的主要原因有（写出一条即可）小车的质量不满足远大于钩码质量或没有平衡摩擦力．

Answer 1

分析 （1）使用打点计时器都应该先接通电源后释放纸带；
（2）微粒使绳子拉力等于小车受到的合外力，需要平衡摩擦力；
（3）将砝码重力当作小车所受合外力，根据功的定义可以正确解答，根据匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度可以求出第4个点的速度大小，进一步求出其动能大小；
（4）实验误差主要来自两个方面一是由实验原理不完善，没有平衡摩擦力导致的系统误差，一是由数据测量如测量距离等导致的偶然误差，可以从这两个方面进行分析．

解答 解：（1）使用打点计时器都应该先接通电源后释放纸带，故D步骤错误；
（2）本实验需要平衡摩擦力，使绳子拉力等于小车受到的合外力，则该同学的操作过程中缺漏的环节是平衡摩擦力，
（3）点4的瞬时速度等于3、5两点间的平均速度，则${v}_{4}=\frac{{x}_{35}}{2T}=\frac{0.1850-0.069}{0.2}=0.58m/s$，
在打计数点0到4的过程中，拉力对小车做的功为：W=mgs=0.05×9.8×0.12=0.059J；
小车的动能增量为：△E_K=$\frac{1}{2}M{{v}_{4}}^{2}=0.050J$；
（3）该实验产生误差的主要原因一是钩码重力大小并不等于绳子拉力的大小，设绳子上拉力为F，对小车根据牛顿第二定律有：
F=Ma…①
对砂桶和砂有：mg-F=ma…②
F=$\frac{M}{M+m}$，
由此可知当M＞＞m时，砂和砂桶的重力等于绳子的拉力，显然该实验中没有满足这个条件；另外该实验要进行平衡摩擦力操作，否则也会造成较大误差．
故答案为：（1）D；（2）没有平衡摩擦力；（3）0.58；0.059；0.050；（4）小车的质量不满足远大于钩码质量或没有平衡摩擦力．

点评 明确实验原理往往是解决实验问题的关键，该实验的一些操作和要求与探究力、加速度、质量之间关系的实验类似可以类比学习．