Question

17．為驗證“拉力做功與氣體動能改變的關(guān)系”，某同學(xué)到實驗室找到了以下器材：一端帶有滑輪的長木板、電磁打點計時器、小車（質(zhì)量為300g）、質(zhì)量分別為10g、2g和50g的鉤碼、學(xué)生電源（有“直流”和“頻率為50Hz的交流”兩擋）、導(dǎo)線、開關(guān)、細(xì)線等．同學(xué)們進(jìn)行如下操作：
A．用導(dǎo)線連接打點計時器、開關(guān)和學(xué)生電源“50Hz交流擋”，然后按圖a所示組裝實驗裝置
B．將質(zhì)量為300g的小車?yán)�到打點計時器附近，并按住小車
C．選用50g的鉤碼掛在拉線上
D．釋放小車，然后接通打點計時器的電源，打出一條紙帶
E．在多次重復(fù)實驗得到的紙帶中，選出一條點跡清晰的紙帶，如圖b所示
F．進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理
G．實驗完畢，整理復(fù)位實驗器材

請同學(xué)們完成下列問題：
（1）該同學(xué)的操作過程哪步是明顯錯誤的D（填相應(yīng)的字母）
（2你認(rèn)為該同學(xué)的操作過程中缺漏的環(huán)節(jié)是沒有平衡摩擦力．
（3）該同學(xué)把紙帶上打出的第一個點標(biāo)為“0”，且認(rèn)為打該點時小車的速度為零，其后依次標(biāo)出計數(shù)點1、2、3、4、5、6（相鄰兩個計數(shù)點間還有四個點未畫），如圖b所示．該同學(xué)測量出計數(shù)點0到計數(shù)點3、4、5的距離，并標(biāo)在圖b上．則在打計數(shù)點4時，小車的速度為0.58m/s；如果將鉤碼的重力在數(shù)值上當(dāng)作小車所受的拉力，則在打計數(shù)點0到4的過程中，拉力對小車做的功為0.059J，小車的動能增量為0.050J．取重力加速度g=9.8m/s²，結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）
（4）由（3）中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該同學(xué)并沒有得到“拉力對消除做的功等于小車動能的增量”的結(jié)論，且對其它點（如2、3、5）點進(jìn)行計算的結(jié)果與“4”計數(shù)點相似，你認(rèn)為產(chǎn)生這種實驗結(jié)果的主要原因有（寫出一條即可）小車的質(zhì)量不滿足遠(yuǎn)大于鉤碼質(zhì)量或沒有平衡摩擦力．

Answer 1

分析 （1）使用打點計時器都應(yīng)該先接通電源后釋放紙帶；
（2）微粒使繩子拉力等于小車受到的合外力，需要平衡摩擦力；
（3）將砝碼重力當(dāng)作小車所受合外力，根據(jù)功的定義可以正確解答，根據(jù)勻變速直線運動中時間中點的瞬時速度等于該過程中的平均速度可以求出第4個點的速度大小，進(jìn)一步求出其動能大��；
（4）實驗誤差主要來自兩個方面一是由實驗原理不完善，沒有平衡摩擦力導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，一是由數(shù)據(jù)測量如測量距離等導(dǎo)致的偶然誤差，可以從這兩個方面進(jìn)行分析．

解答 解：（1）使用打點計時器都應(yīng)該先接通電源后釋放紙帶，故D步驟錯誤；
（2）本實驗需要平衡摩擦力，使繩子拉力等于小車受到的合外力，則該同學(xué)的操作過程中缺漏的環(huán)節(jié)是平衡摩擦力，
（3）點4的瞬時速度等于3、5兩點間的平均速度，則${v}_{4}=\frac{{x}_{35}}{2T}=\frac{0.1850-0.069}{0.2}=0.58m/s$，
在打計數(shù)點0到4的過程中，拉力對小車做的功為：W=mgs=0.05×9.8×0.12=0.059J；
小車的動能增量為：△E_K=$\frac{1}{2}M{{v}_{4}}^{2}=0.050J$；
（3）該實驗產(chǎn)生誤差的主要原因一是鉤碼重力大小并不等于繩子拉力的大小，設(shè)繩子上拉力為F，對小車根據(jù)牛頓第二定律有：
F=Ma…①
對砂桶和砂有：mg-F=ma…②
F=$\frac{M}{M+m}$，
由此可知當(dāng)M＞＞m時，砂和砂桶的重力等于繩子的拉力，顯然該實驗中沒有滿足這個條件；另外該實驗要進(jìn)行平衡摩擦力操作，否則也會造成較大誤差．
故答案為：（1）D；（2）沒有平衡摩擦力；（3）0.58；0.059；0.050；（4）小車的質(zhì)量不滿足遠(yuǎn)大于鉤碼質(zhì)量或沒有平衡摩擦力．

點評 明確實驗原理往往是解決實驗問題的關(guān)鍵，該實驗的一些操作和要求與探究力、加速度、質(zhì)量之間關(guān)系的實驗類似可以類比學(xué)習(xí)．