问题 问答题

某探究学习小组的同学欲验证“动能定理”,他们在实验室组装了一套如图所示的装置,另外他们还找到了打点计时器所用的学生电源一台,导线、复写纸、纸带、细沙若干.当滑块连接上纸带,用细线通过滑轮挂上空的小沙桶时,释放小桶,滑块处于静止状态.若你是小组中的一位成员,要完成该项实验,则:

(1)还需要补充的实验器材是______.

(2)某同学的实验步骤如下:用天平称量滑块的质量M.往沙桶中装入适量的细沙,让沙桶带动滑块加速运动,用打点计时器记录其运动情况,用天平称出此时沙和沙桶的总质量m.在打点计时器打出的纸带上取两点,测出这两点的间距L,算出这两点的速度v1与v2.要完成本实验,还缺哪些实验步骤或应控制的实验条件?若用如上的字母代表实验中测量到的物理量,写出本实验最终要验证的数学表达式.

(3)若挑选的一条点迹清晰的纸带如下,且已知滑块的质量为M,沙和沙桶的总质量为m,相邻两个点之间的时间间隔为T,从A点到B、C、D、E、F点的距离依次为S1、S2、S3、S4、S5(图中未标出S3、S4、S5),则由此可求得纸带上由B点到E点所对应的过程中,沙和沙桶的重力所做的功W=______;该滑块动能改变量的表达式为△EK=______.(结果用题中已知物理量的字母表示)

答案

(1)因挂上空桶时滑块静止时,说明滑块受到摩擦力作用,应首先平衡摩擦力,这样滑块受到的合力即为绳对小车的拉力.要求总功和动能需要知道小木块的质量和小木块的位移,故应需要有刻度尺、天平和小木块.

(2)根据重力做功特点可知,重力做功等于重力与位移的积,即:W=mg(s4-s1

(3)根据匀变速直线运动的特点有:

B点速度为:vB=

S2
2T

vE=

S5-S3
2T

所以动能增量为:EK=

1
2
M[(
S5-S3
2T
)
2
-(
S2
2T
)
2
]或EK=
m
8T2
[(S5-S3)2-
S22
]

根据功能关系可知,若重力做功和动能增量基本相等,则说明机械能是守恒的.

故答案为:(1)天平; 刻度尺; 小木块

(2)所缺的步骤:先将空的小沙桶从滑轮上取下,用天平测定小沙桶的质量m′,再将空的小沙桶挂回,用小木块将长木板的左端稍稍垫起,直至轻推滑块,滑块能在水平长木板上匀速滑行为止.实验中保持m<<M.本实验最终要验证的数学表达式(m-m′)gL=

1
2
M
v22
-
1
2
M
v21

(3)W=mg(s4-s1)  

EK=

1
2
M[(
S5-S3
2T
)2-(
S2
2T
)2]或EK=
m
8T2
[(S5-S3)2-
S22
]

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