题目内容
12.某研究性学习小组利用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置如图甲所示.当气垫导轨正常工作时导轨两侧喷出的气体使滑块悬浮在导轨上方,滑块运动时与导轨间的阻力可忽略不计.在气垫导轨上相隔一定距离L的两处安装两个光电传感器A、B,滑块P上固定一遮光条,若光线被遮光条遮挡,光电传感器会输出高电压,两光电传感器采集数据后与计算机相连.滑块在细线的牵引下向左加速运动,遮光条经过光电传感器A、B时,通过计算机可以得到如图乙所示的电压U随时间t变化的图线.(1)实验前,接通电源,将滑块(不挂钩码)置于气垫导轨上,轻推滑块,当图乙中的△t1=△t2(选填“>”“=”或“<”)时,说明气垫导轨已经水平.
(2)滑块P用细线跨过气垫导轨左端的定滑轮与质量为m的钩码Q相连,将滑块P由图甲所示位置释放,通过计算机得到的图象如图乙所示,若△t1、△t2、遮光条宽度d、滑块质量M、钩码质量m、A、B间距L已知,若上述物理量间满足关系式mgL=$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{△{t}_{2}}$)2-$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{△{t}_{1}}$)2,则表明在上述过程中,滑块和钩码组成的系统机械能守恒.
(3)若遮光条宽度d=8.400mm,A、B间的距离L=160.00cm,△t1=8.40×10-3s,△t2=4.20×10-3s,滑块质量M=180g,钩码Q质量m=20g,则滑块从A运动到B的过程中系统势能的减少量△Ep0.314J,系统动能的增量△Ek=0.300J.(g=9.80m/s2,计算结果保留三位有效数字)
分析 (1)遮光条经过光电传感器A、B时间相同,说明滑块匀速运动,气垫导轨已经水平.
(2)要验证滑块和砝码组成的系统机械能是否守恒,就应该去求出动能的增加量和重力势能的减小量,结合原理确定需要测量的物理量.根据滑块和砝码组成的系统机械能守恒列出关系式.
(3)由高度求出系统势能的减少量△Ep.由公式v=$\frac{d}{△t}$求出滑块通过两个光电门的速度,再求动能的增量.
解答 解:(1)如果遮光条通过光电门的时间相等,即△t1=△t2,说明遮光条做匀速运动,即说明气垫导轨已经水平.
(2)要验证滑块和砝码组成的系统机械能是否守恒,就应该去求出动能的增加量和重力势能的减小量,光电门测量瞬时速度是实验中常用的方法.由于光电门的宽度很小,所以我们用很短时间内的平均速度代替瞬时速度.
vB=$\frac{d}{△{t}_{2}}$,vA=$\frac{d}{△{t}_{1}}$
滑块和砝码组成的系统动能的增加量△Ek=$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{△{t}_{2}}$)2-$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{△{t}_{1}}$)2,
滑块和砝码组成的系统重力势能的减小量△Ep=mgL
可知只要满足mgL=$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{△{t}_{2}}$)2-$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{△{t}_{1}}$)2,系统机械能守恒.
(3)系统重力势能的减小量△Ep=mgL=0.02×9.8×1.60=0.314J.
系统动能的增加量△Ek=$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{△{t}_{2}}$)2-$\frac{1}{2}$(M+m)($\frac{d}{△{t}_{1}}$)2=$\frac{1}{2}$×(0.18+0.02)×[($\frac{8.4×1{0}^{-3}}{4.2×1{0}^{-3}}$)2-($\frac{8.4×1{0}^{-3}}{8.4×1{0}^{-3}}$)2]J=0.300J
故答案为:
(1)=.(2)$mgL=\frac{1}{2}(M+m)(\frac{d}{{△{t_2}}}{)^2}-\frac{1}{2}(M+m)(\frac{d}{{△{t_2}}}{)^2}$.(3)0.314,0.300.
点评 解决本题的关键掌握实验的原理,即验证系统重力势能的减小量和动能的增加量是否相等,以及掌握极限思想在物理中的运用.
| A. | 开普勒用了20年的时间研究他的老师第谷的行星观察记录,发现了行星不是做匀速圆周运动 | |
| B. | 哥白尼提出的日心说推翻了地心说的观点,被人们称为“拦住了太阳,推动了地球”的人 | |
| C. | 伽利略通过自己发明的望远镜发现了围绕木星转动的卫星,进一步证明了地心说的错误性 | |
| D. | 海王星的发现,是德国的伽勒在一次偶然的机会下发现的,没有任何理论根据 |
| A. | 若K电键保持闭合,向下移动b板,则v2>v1 | |
| B. | 若电键K闭合一段时间后再断开,向下移动b板,则v2>v1 | |
| C. | 若电键K保持闭合,无论向上或向下移动b板,则v2=v1 | |
| D. | 若电键K闭合一段时间再断开,无论向上或向下移动a板,则v2<v1 |
| A. | 物体做自由振动的周期等于固有周期 | |
| B. | 物体做阻尼振动的周期等于固有周期 | |
| C. | 物体做受迫振动的周期等于固有周期 | |
| D. | 发生共振时,振动的周期等于固有周期 |
| A. | 第二次与第一次线圈中电流之比2:1 | |
| B. | 第二次与第一次外力做功的功率之比2:1 | |
| C. | 第二次与第一次线圈中产生热量之比4:1 | |
| D. | 第二次与第一次流过线圈的电荷量之比 2:1 |