题目内容

2.现要用如图所示的实验装置探究“动能定理”:一倾角θ可调的斜面上安装有两个光电门,其中光电门乙固定在斜面上,光电门甲的位置可移动.不可伸长的细线一端固定在带有遮光片(宽度为d)的滑块上,另一端通过光滑定滑轮与重物相连,细线与斜面平行(通过滑轮调节).当滑块沿斜面下滑时,与光电门相连的计时器可以显示遮光片挡光的时间t,从而可测出滑块通过光电门时的瞬时速度v.改变光电门甲的位置,重复实验,比较外力所做的功W与系统动能的增量△Ek的关系,即可达到实验目的.主要实验步骤如下:
(1)调节斜面的倾角θ,用以平衡滑块的摩擦力.将带有遮光片的滑块置于斜面上,轻推滑块,使之运动.可以通过遮光片经过两光电门的时间是否相等判断滑块是否正好做匀速运动;
(2)按设计的方法安装好实验器材.将滑块从远离光电门甲的上端由静止释放,滑块通过光电门甲、乙时,遮光片挡光的时间分别t1和t2,则滑块通过甲、乙两光电门时的瞬时速度分别为$\frac{d}{{t}_{1}}$和$\frac{d}{{t}_{2}}$;
(3)用天平测出滑块(含遮光片)的质量M及重物的质量m,用米尺测出两光电门间的距离x,比较mgs和$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{{t}_{2}}$)2-$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{{t}_{1}}$)2的大小,在误差允许的范围内,若两者相等,可得出合力对物体所做的功等于物体动能的变化量.

分析 (1)恰好平衡摩擦力滑块匀速运动时遮光片经过光电门的时间相等.
(2)已知时间与遮光片的宽度应用速度公式可以求出遮光片经过光电门时的平均速度,把该平均速度作为滑块的速度.
(3)应用功的计算公式与动能的 计算公式分析答题.

解答 解:(1)滑块匀速运动时,遮光片经过两光电门的时间相等;
(2)遮光片宽度d很小,可认为其平均速度与滑块通过该位置时的瞬时速度相等,故滑块通过甲、乙两光电门时的瞬时速度分别为:v1=$\frac{d}{{t}_{1}}$、v2=$\frac{d}{{t}_{2}}$;
(3)比较外力做功W=mgs及系统动能的增量△EK=$\frac{1}{2}$(M+m)v22-$\frac{1}{2}$(M+m)v12=$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{{t}_{2}}$)2-$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{{t}_{1}}$)2,是否相等,即可探究“动能定理”.
故答案为:(1)遮光片经过两光电门的时间是否相等;(2)$\frac{d}{{t}_{1}}$;$\frac{d}{{t}_{2}}$;(3)mgs;$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{{t}_{2}}$)2-$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{{t}_{1}}$)2.

点评 本题考查了实验操作与实验数据处理,遮光片的宽度很小,可以用遮光片经过光电门时的平均速度作为滑块的瞬时速度,遮光片越窄,平均速度越接近瞬时速度.

练习册系列答案
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13.某同学在科普读物上看到:“劲度系数为k的弹簧从伸长量为x到恢复原长过程中,弹力做的功W=$\frac{1}{2}$kx2”.他设计了如下的实验来验证这个结论.

A.将一弹簧的下端固定在地面上,在弹簧附近竖直地固定一刻度尺,当弹簧在竖直方向静止不动时其上端在刻度尺上对应的示数为x1,如图甲所示.
B.用弹簧测力计拉着弹簧上端竖直向上缓慢移动,当弹簧测力计的示数为F时,弹簧上端在刻度尺上对应的示数为x2,如图乙所示.则此弹簧的劲度系数k=$\frac{F}{{x}_{2}-{x}_{1}}$.
C.把实验桌放到弹簧附近,将一端带有定滑轮、两端装有光电门的长木板放在桌面上,使滑轮正好在弹簧的正上方,用垫块垫起长木板不带滑轮的一端,如图丙所示.
D.用天平测得小车(带有遮光条)的质量为M,用游标卡尺测遮光条宽度d的结果如图丁所示,则d=3.5mm.
E.打开光电门的开关,让小车从光电门的上方以一定的初速度沿木板向下运动,测得小车通过光电门A和B时的遮光时间分别为△t1和△t2.左右改变垫块的位置,重复实验,直到△t1=△t2,以后的操作中保持木板和垫块的位置不变.
F.用细绳通过滑轮将弹簧和小车相连,将小车拉到光电门B的上方某处,此时弹簧上端在刻度尺上对应的示数为x3,已知(x3=x1)小于光电门A、B之间的距离,如图丙所示.由静止释放小车,测得小车通过光电门A和B时的遮光时间分别为△t1′和△t2′.
在实验误差允许的范围内,若$\frac{1}{2}$k(x3-x1)2=$\frac{1}{2}$M($\frac{d}{△{t}_{2}′}$)2-$\frac{1}{2}$M($\frac{d}{△{t}_{1}′}$)2(用实验中测量的符号表示),就验证了W=$\frac{1}{2}$kx2的结论.
17.现要用如图所示的实验装置探究“动能定理”:一倾角θ可调的斜面上安装有两个光电门,其中光电门乙固定在斜面上,光电门甲的位置可移动.不可伸长的细线一端固定在带有遮光片(宽度为d)的滑块上,另一端通过光滑定滑轮与重物相连,细线与斜面平行(通过滑轮调节).当滑块沿斜面下滑时,与光电门相连的计时器可以显示遮光片挡光的时间t,从而可测出滑块通过光电门时的瞬时速度v.改变光电门甲的位置,重复实验,比较外力所做的功W与系统动能的增量△Ek的关系,即可达到实验目的.
主要实验步骤如下:
(1)调节斜面的倾角θ,用以平衡滑块的摩擦力.将带有遮光片的滑块置于斜面上,轻推滑块,使之运动.可以通过遮光片经过两光电门的时间是否相等判断滑块是否正好做匀速运动;
(2)按设计的方法安装好实验器材.将滑块从远离光电门甲的上端由静止释放,滑块通过光电门甲、乙时,遮光片挡光的时间分别t1和t2,则滑块通过甲、乙两光电门时的瞬时速度分别为$\frac{d}{{t}_{1}}$和$\frac{d}{{t}_{2}}$;
(3)用天平测出滑块(含遮光片)的质量M及重物的质量m,用米尺测出两光电门间的距离x,比较mgx和$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{{t}_{2}}$)2-$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{{t}_{1}}$)2的大小,在误差允许的范围内,若两者相等,可得出合力对物体所做的功等于物体动能的变化量.

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