Question

某探究學習小組的同學欲驗證“動能定理”，他們在實驗室組裝了一套如圖1所示的裝置：水平軌道上安裝兩個光電門，小車上固定有力傳感器和擋光板，細線一端與力傳感器連接另一端跨過定滑輪掛上砝碼盤．實驗時，保持軌道水平，通過調(diào)整砝碼盤里砝碼的質(zhì)量讓小車做勻速運動實現(xiàn)平衡摩擦力．

①該實驗是否需要滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量？
（回答“是”或“否”）

否

；
②實驗需要用游標卡尺測量擋光板的寬度l，如圖所示l=

5.50

mm；
③實驗獲得以下測量數(shù)據(jù)：小車、傳感器和擋光板的總質(zhì)量M，平衡摩擦力時砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量m₀，擋光板的寬度l，光電門1和光電門2的中心距離s，某次實驗過程：力傳感器的讀數(shù)F，小車通過光電門1和光電門2的擋光時間分別為t₁、t₂．小車通過光電門2后砝碼盤才落地．該實驗需驗證的表達式是

Fs=

1

2

M(

l

t2

)2-

1

2

M(

l

t1

)2

．
④若利用該實驗裝置驗證“牛頓第二定律”．控制小車的質(zhì)量不變，通過改變砝碼盤里砝碼的質(zhì)量重復實驗，探究合外力和加速度的關系．下列圖象用力傳感器的示數(shù)F為橫坐標，可以表示該實驗結(jié)果的是

B

⑤若用該實驗裝置，通過多次改變小車的質(zhì)量探究質(zhì)量和加速度的關系，以下說法正確的是

A

A、需要控制力傳感器的讀數(shù)F不變
B、需要控制砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量不變
C、需要控制小車所受的合外力不變，因此需要改變砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量，力傳感器的讀數(shù)F也會發(fā)生改變
D、以上說法都不對．

Answer 1

分析：①該實驗中由于已經(jīng)用傳感器測出繩子拉力大小，故不需要滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量．
②游標卡尺讀數(shù)的方法是主尺讀數(shù)加上游標讀數(shù)，不需估讀．游標的零刻度線超過主尺上的刻度數(shù)為主尺讀數(shù)，游標讀數(shù)等于分度乘以對齊的根數(shù)．
③光電門測速度的原理是用平均速度來代替瞬時速度，根據(jù)功能關系可以求出需要驗證的關系式．
④由F=ma可知，保持m不變，a-F圖象為過原點的直線．
⑤該實驗中變量比較多，因此在進行探究時，采用“控制變量法”即先保持一個變量不變，看另外兩個變量之間的關系．

解答：解：①該實驗中由于已經(jīng)用傳感器測出繩子拉力大小，不是將砝碼和砝碼盤的重力作為小車的拉力，故不需要滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量．
故答案為：否．
②游標卡尺的主尺讀數(shù)為5mm，游標讀數(shù)等于0.05×10mm=0.50mm，所以最終讀數(shù)為：5mm+0.50mm=5.50mm．
故答案為：5.50．
③由于光電門的寬度d很小，所以我們用很短時間內(nèi)的平均速度代替瞬時速度．
滑塊通過光電門1速度為：v1=

l

t1

滑塊通過光電門2速度為：v2=

l

t2

根據(jù)功能關系需要驗證的關系式為：(F-m0g)s=

1

2

M

v

2 2

-

1

2

M

v

2 1

即：(F-m0g)s=

1

2

M(

l

t2

)2-

1

2

M(

l

t1

)2．
故答案為：(F-m0g)s=

1

2

M(

l

t2

)2-

1

2

M(

l

t1

)2．．
④由于該實驗中直接測出了拉力F，因此不存在系統(tǒng)誤差，由F-m₀g=Ma可知，當M不變時，a-F圖象為不過原點的直線，與橫坐標的交點為m₀g，故ACD錯誤，B正確．
故選：B．
⑤該實驗采用了“控制變量法”，因此要探究質(zhì)量和加速度的關系，需要控制拉力F不變，根據(jù)牛頓第二定律可知，要控制F不變，當改變小車的質(zhì)量的同時需要改變砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量，故BCD錯誤，A正確．
故選：A．

點評：了解光電門測量瞬時速度的原理，實驗中我們要清楚研究對象和研究過程，對于系統(tǒng)我們要考慮全面，同時明確實驗原理是解答實驗問題的前提．