题目内容

10.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=3.85mm;
(2)滑块通过B点的瞬时速度可表示为$\frac{b}{t}$;
(3)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△Ek=$\frac{(M+m){b}^{2}}{2{t}^{2}}$,系统的重力势能减少量可表示为△Ep=$(m-\frac{M}{2})gd$,在误差允许的范围内,若△Ek=△Ep则可认为系统的机械能守恒;
(4)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=9.6m/s2.

分析 (1)游标卡尺的读数等于主尺读数加上游标读数,不需估读.
(2)由于光电门的宽度d很小,所以我们用很短时间内的平均速度代替瞬时速度.
(3)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.
(4)根据图象的物理意义可知,图象的斜率大小等于物体的重力加速度大小.

解答 解:(1)游标卡尺的主尺读数为3mm,游标读数为0.05×17mm=0.85mm,则最终读数b=3.85mm.
(2)根据极短时间内的平均速度等于瞬时速度知,滑块通过B点的瞬时速度为:v=$\frac{b}{t}$.
(3)滑块从A处到达B处时m和M组成的系统的动能的增加量可表示为:$△{E}_{k}=\frac{1}{2}(M+m){v}^{2}$=$\frac{(M+m){b}^{2}}{2{t}^{2}}$,
系统的重力势能的减少量可表示为:△Ep=mgd-Mgdsinθ=$(m-\frac{M}{2})gd$.
(4)根据机械能守恒得:$(m-\frac{M}{2})gd$=$\frac{1}{2}(M+m){v}^{2}$,则有:${v}^{2}=\frac{2(m-\frac{M}{2})gd}{M+m}$,
可知图线的斜率为:k=$\frac{2(m-\frac{M}{2})g}{M+m}$=$\frac{2.4}{0.5}=4.8$,
因为M=m,解得:g=9.6m/s2.
故答案为:(1)3.85;(2)$\frac{b}{t}$;(3)$\frac{(M+m){b}^{2}}{2{t}^{2}}$,$(m-\frac{M}{2})gd$,(4)9.6.

点评 了解光电门测量瞬时速度的原理.实验中我们要清楚研究对象和研究过程,对于系统我们要考虑全面,掌握系统机械能守恒处理方法,注意图象的斜率的含义.

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