题目内容

9.某实验小组利用如图甲所示的装置探究功和动能变化的关系,他们将宽度为d的挡光片固定在小车上,用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与砝码盘相连,在水平桌面上的A、B两点各安装一个光电门,记录小车通过A、B时的遮光时间,小车中可以放置砝码.

(1)实验主要步骤如下:
①将小车停在C点,在砝码盘放上砝码,小车在细线拉动下运动,记录此时小车及小车中砝码的质量之和为M,砝码盘和盘中砝码的总质量为m,小车通过A、B时的遮光时间分别为t1、t2,则小车通过A、B过程中动能的变化量△E=$\frac{1}{2}M{(\frac{d}{{t}_{2}})}^{2}-\frac{1}{2}M{(\frac{d}{{t}_{1}})}^{2}$(用字母M、t1、t2、d表示).
②在小车在增减砝码或在砝码盘中增减砝码,重复①的操作.
③如图2所示,用游村卡尺测量挡光片的宽度d=0.550cm.
(2)下表是他们测得的多组数据,其中M是小车及小车中砝码质量之和,|v22-v12|是两个速度的平方差,可以据此计算出动能变化量△E,F是砝码盘及盘中砝码的总重力,W是F在A、B间所做的功,表格中△E1=0.600J,W3=0.610J(结果保留三位有效数字).
次数M/kg|v22-v12|/(m/s)2△E/JF/NW/J
10.5000.7600.1900.4000.200
20.5001.650.4130.8400.420
30.5002.40△E11.220W3
41.0002.401.202.4201.21
51.0002.841.422.8601.43
(3)若在本实验中没有平衡打探力,假设小车与水平长木板之间的动摩擦因数为μ,利用上面的实验器材完成实验,保证小车质量不变,改变砝码盘中砝码的数量(取绳子拉力近似为砝码盘及盘中砝码的总重力),测得多组m、t1、t2的数据,并得到m与($\frac{1}{{t}_{2}}$)2-($\frac{1}{{t}_{1}}$)2的关系图象如图3,已知图象在纵轴上的截距为b,直线PQ的斜率为k,A、B两点的距离为s,挡光片宽度为d,则求得μ=$\frac{b{d}^{2}}{2gsk}$(用字母b、d、s、k、g表示).

分析 (1)小车在钩码的作用下拖动纸带在水平面上做加速运动,通过速度传感器可算出A B两点的速度大小,根据$△{E}_{k}=\frac{1}{2}m{{v}_{2}}^{2}-\frac{1}{2}m{{v}_{1}}^{2}$即可计算出动能的变化;游标卡尺的读数先读出主尺的刻度数,然后读出游标尺的刻度;
(2)针对表格中数据的特点,总结出相应的规律,求出△E1和W3;
(3)由功与动能变化的关系式,确定图线上斜率与截距的意义,结合摩擦力的公式即可求出摩擦因数.

解答 解:(1)①小车通过A时的速度为:${v}_{A}=\frac{d}{{t}_{1}}$,
小车通过B时的速度为:${v}_{B}=\frac{d}{{t}_{2}}$,
则小车通过A、B过程中动能的变化量为:△E=$\frac{1}{2}M(\frac{d}{{t}_{2}})^{2}-\frac{1}{2}M(\frac{d}{{t}_{1}})^{2}$,
③游标卡尺的读数先读出主尺的刻度数:5mm,游标尺的刻度第10个刻度与上边的刻度对齐,所以读数为:0.05×10=0.50mm,总读数为:5mm+0.50mm=5.50mm=0.550cm
(2)由各组数据可见规律,有:△E=$△E=\frac{1}{2}({{v}_{2}}^{2}-{{v}_{1}}^{2})$,
可得:△E1=0.600J
观察F-W数据规律可得数值上有:W3=$\frac{{F}_{3}}{2}$=0.610 J
3)由题意,小车受到的拉力是:F=(mg-f),小车的位移是s,设小车的质量是M,小车动能的变化是:$\frac{1}{2}M{(\frac{d}{{t}_{2}})}^{2}-\frac{1}{2}M{(\frac{d}{{t}_{1}})}^{2}$
根据做功与动能变化的关系可得:(mg-f)s=$\frac{1}{2}M{(\frac{d}{{t}_{2}})}^{2}-\frac{1}{2}M{(\frac{d}{{t}_{1}})}^{2}$,
所以得:$mg-f=\frac{M{d}^{2}}{2s}(\frac{1}{{{t}_{2}}^{2}}-\frac{1}{{{t}_{1}}^{2}})$
所以,图线的坐标轴的截距表示摩擦力f,即:f=b,
图线的斜率:$k=\frac{M{d}^{2}}{2s}$
由摩擦力的公式得:$μ=\frac{f}{{F}_{N}}=\frac{f}{Mg}$=$\frac{b{d}^{2}}{2gsk}$.
故答案为:(1)①$\frac{1}{2}M{(\frac{d}{{t}_{2}})}^{2}-\frac{1}{2}M{(\frac{d}{{t}_{1}})}^{2}$;③0.550;(2)0.600J;0.610J;(3)$\frac{b{d}^{2}}{2gsk}$

点评 这个实验对于我们可能是一个新的实验,但该实验的原理都是我们学过的物理规律.
做任何实验问题还是要从最基本的物理规律入手去解决.对于系统问题处理时我们要清楚系统内部各个物体能的变化

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