Question

5．如圖甲所示的裝置叫做阿特伍德機(jī)，是英國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家阿特伍德創(chuàng)制的一種著名力學(xué)實驗裝置，用來研究勻變速直線運動的規(guī)律．某同學(xué)對該裝置加以改進(jìn)后用來驗證機(jī)械能守恒定律，如圖乙所示．
（1）實驗時，該同學(xué)進(jìn)行了如下操作：
①將質(zhì)量均為M（A的含擋光片、B的含掛鉤）的重物用繩連接后，跨放在定滑輪上，處于靜止?fàn)顟B(tài)，測量出擋光片中心（填“A的上表面”、“A的下表面”或“擋光片中心”）到光電門中心的豎直距離h．
②在B的下端掛上質(zhì)量為m的物塊C，讓系統(tǒng)（重物A、B以及物塊C）中的物體由靜止開始運動，光電門記錄擋光片擋光的時間為△t．      
③測出擋光片的寬度d，則重物A經(jīng)過光電門時的速度為$\fracl221d72{△t}$．
（2）如果系統(tǒng)（重物A、B以及物塊C）的機(jī)械能守恒，應(yīng)滿足的關(guān)系式為mgh=$\frac{1}{2}（2M+m）（\frace7c2272{△t}）^{2}$（已知重力加速度為g）．
（3）引起該實驗系統(tǒng)誤差的原因有繩子有一定的質(zhì)量、滑輪與繩子之間有摩擦、重物運動受到空氣阻力等（寫一條即可）．
（4）驗證實驗結(jié)束后，該同學(xué)突發(fā)奇想：如果系統(tǒng)（重物A、B以及物塊C）的機(jī)械能守恒，不斷增大物塊C的質(zhì)量m，重物B的加速度a也將不斷增大，那么a與m之間有怎樣的定量關(guān)系呢？a隨m增大會趨于一個什么值？請你幫該同學(xué)解決：
①寫出a與m之間的關(guān)系式：$\frac{g}{\frac{2M}{m}+1}$（還要用到M和g）；      ②a的值會趨于g．

Answer 1

分析 根據(jù)系統(tǒng)機(jī)械能守恒，得出系統(tǒng)重力勢能的減小量和系統(tǒng)動能的增加量，根據(jù)極短時間內(nèi)的平均速度表示瞬時速度求出系統(tǒng)末動能．
對系統(tǒng)研究，根據(jù)牛頓第二定律求出加速度與m的關(guān)系式，通過關(guān)系式分析，m增大，a趨向于何值．

解答 解：（1、2）需要測量系統(tǒng)重力勢能的變化量，則應(yīng)該測量出擋光片中心到光電門中心的距離，
系統(tǒng)的末速度為：$v=\frac222aq7k{△t}$，
則系統(tǒng)重力勢能的減小量△E_p=mgh，系統(tǒng)動能的增加量為：$△{E}_{k}=\frac{1}{2}（2M+m）{v}^{2}$=$\frac{1}{2}（2M+m）（\frac72722i2{△t}）^{2}$，
若系統(tǒng)機(jī)械能守恒，則有：mgh=$\frac{1}{2}（2M+m）（\frack2n2h7e{△t}）^{2}$，
（3）系統(tǒng)機(jī)械能守恒的條件是只有重力做功，引起實驗誤差的原因可能有：繩子有一定的質(zhì)量、滑輪與繩子之間有摩擦、重物運動受到空氣阻力等．
（4）根據(jù)牛頓第二定律得，系統(tǒng)所受的合力為mg，則系統(tǒng)加速度為：a=$\frac{mg}{2M+m}$=$\frac{g}{\frac{2M}{m}+1}$，
當(dāng)m不斷增大，則a趨向于g．
故答案為：（1）擋光片中心，$\frack6161o6{△t}$；（2）mgh=$\frac{1}{2}（2M+m）（\fracq1t172p{△t}）^{2}$；（3）繩子有一定的質(zhì)量、滑輪與繩子之間有摩擦、重物運動受到空氣阻力等；（4）$\frac{g}{\frac{2M}{m}+1}$，g．

點評 解決本題的關(guān)鍵知道實驗的原理，知道誤差產(chǎn)生的原因；明確驗證機(jī)械能守恒定律的實驗方法；正確應(yīng)用牛頓第二定律的進(jìn)行分析求解．