问题 问答题

现要通过实验验证机械能守恒定律.实验装置如图1所示:水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨;导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块,其总质量为M,左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连;遮光片两条长边与导轨垂直;导轨上B点有一光电门,可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t,用d表示A点到导轨底端C点的距离,h表示A与C的高度差,b表示遮光片的宽度,s表示A、B两点间的距离,将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度.用g表示重力加速度.完成下列填空和作图:(1)若将滑块自A点由静止释放,则在滑块从A运动至B的过程中,滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减小量可表示为______,动能的增加量可表示为______.若在运动过程中机械能守恒,

1
t2
与s的关系式为
1
t2
=______.

(2)多次改变光电门的位置,每次均令滑块自同一点(A点)下滑,测量相应的s与t值,结果如下表所示:

12345
s/m0.6000.8001.0001.2001.400
t/ms8.227.176.445.855.43
1
t2
/104s-2
1.481.952.412.923.39
以s为横坐标,
1
t2
为纵坐标,在图2的坐标纸中描出第1和第5个数据点______;根据5个数据点作直线,求得该直线的斜率k=______×104 m-1•s-2(保留3位有效数字).由测得的h、d、b、M和m数值可以计算出
1
t2
-s直线的斜率k0,将k和k0进行比较,若其差值在实验允许的范围内,则可认为此实验验证了机械能守恒定律.

答案

(1)根据几何关系可得导轨倾角sinθ=

h
d
,滑块从A到B过程中系统重力势能减少量为
△E p减
=Mgs.sinθ-mgs=Mgs.
h
d
-mgs=
Mgsh
d
-mgs

滑块速度为v=

b
t
,所以系统动能增加量
△E k增
=
1
2
(M+m)
v
=
1
2
(M+m)(
b
t
)

若机械能守恒应有

△E p减
=
△E k增
,将上式代入整理可得
1
t
=
2(Mgh-mgd)
(M+m)
db  
.s

(2)描点、连线如图所示,斜率k=2.39

×10
m-1 
.s-2 

故答案为(1)

Mgsh
d
-mgs,
1
2
(M+m)(
b
t
)
2(Mgh-mgd)
(M+m)
db  
.s

        (2)如图,2.39(2.38~2.44都可以)

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