Question

20．如圖所示是某同學(xué)探究動能定理的實(shí)驗裝置．已知重力加速度為g，不計滑輪摩擦阻力，該同學(xué)的實(shí)驗步驟如下：
a．將長木板傾斜放置，小車放在長木板上，長木板旁放置兩個光電門A和B，砂桶通過滑輪與小車相連．
b．調(diào)整長木板傾角，使得小車恰好能在細(xì)繩的拉力作用下勻速下滑，測得砂和砂桶的總質(zhì)量為m．
c．某時刻剪斷細(xì)繩，小車由靜止開始加速運(yùn)動．
d．測得擋光片通過光電門A的時間為△t₁，通過光電門B的時間為△t₂，擋光片寬度為d，小車質(zhì)量為M，兩個光電門A和B之間的距離為L．
e．依據(jù)以上數(shù)據(jù)探究動能定理．
（1）根據(jù)以上步驟，你認(rèn)為以下關(guān)于實(shí)驗過程的表述正確的是AC．
A．實(shí)驗時，先接通光電門，后剪斷細(xì)繩  
B．實(shí)驗時，小車加速運(yùn)動的合外力為F=Mg
C．實(shí)驗過程不需要測出斜面的傾角      
D．實(shí)驗時，應(yīng)滿足砂和砂桶的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量M
（2）小車經(jīng)過光電門A、B的瞬時速度為v_A=$\fracpofbocj{{△{t_1}}}$、v_B=$\fraci6sx2a1{{△{t_2}}}$．如果關(guān)系式$mgL=\frac{1}{2}M{（\fracwuafr85{{△{t_2}}}）^2}-\frac{1}{2}M{（\fracnmcur4g{{△{t_1}}}）^2}$在誤差允許范圍內(nèi)成立，就驗證了動能定理．

Answer 1

分析 實(shí)驗操作時應(yīng)先接通光電門后釋放滑塊，小車加速運(yùn)動的合外力為F=mg，傾斜木板的目的是平衡摩擦力，不需要測出斜面的傾角，根據(jù)實(shí)驗原理可知無需考慮砂和砂桶的總質(zhì)量m遠(yuǎn)是否小于小車質(zhì)量M．
本實(shí)驗中由于遮光條通過光電門的時間極短，因此可以利用平均速度來代替其瞬時速度大��；小車從A到B的過程中，其合力做功mgL，系統(tǒng)動能的增加，增量為：$△{E}_{k}=\frac{1}{2}M{{v}_{B}}^{2}-\frac{1}{2}M{{v}_{A}}^{2}$，因此只要比較二者是否相等，即可探究合外力做功與動能改變量之間關(guān)系是否相等．

解答 解：（1）A、按照操作規(guī)程，應(yīng)先接通光電門后釋放滑塊，否則可能滑塊已經(jīng)通過光電門，光電門還沒有工作，測不出滑塊通過光電門A的時間，故A正確．
B、平衡時，除了繩子拉力以外的力的合力與繩子的拉力等值反向，實(shí)驗時，剪短細(xì)繩，則小車加速運(yùn)動的合外力為F=mg，故B錯誤．
C、實(shí)驗過程中，傾斜木板的目的是平衡摩擦力，不需要測出斜面的傾角，故C正確．
D、實(shí)驗時，剪短細(xì)線，砂和砂桶不隨小車運(yùn)動，無需考慮砂和砂桶的總質(zhì)量m遠(yuǎn)是否小于小車質(zhì)量M，故D錯誤．
故選：AC．
（2）由于遮光條比較小，通過光電門的時間極短，因此可以利用平均速度來代替其瞬時速度，因此滑塊經(jīng)過光電門時的瞬時速度分別為：v_A=$\fracuc9eaya{{△{t_1}}}$、v_B=$\frac8hivjcp{{△{t_2}}}$．
小車從A到B的過程中，其合力做功mgL，系統(tǒng)動能的增加，增量為：$△{E}_{k}=\frac{1}{2}M{{v}_{B}}^{2}-\frac{1}{2}M{{v}_{A}}^{2}$=$\frac{1}{2}M{（\fracpa0chfu{△{t}_{2}}）}^{2}-\frac{1}{2}M{（\fracxpdcy1h{△{t}_{1}}）}^{2}$，因此只要比較二者是否相等，即可探究合外力做功與動能改變量之間關(guān)系是否相等．即如果關(guān)系式 $mgL=\frac{1}{2}M{（\fracsyvbz4q{{△{t_2}}}）^2}-\frac{1}{2}M{（\frac0o3xu9u{{△{t_1}}}）^2}$在誤差允許范圍內(nèi)成立，就驗證了動能定理．
故答案為：（1）AC；（2）$\fracrvshm9g{{△{t_1}}}$，$\fracsbxnbej{{△{t_2}}}$，$mgL=\frac{1}{2}M{（\fract3jdby7{{△{t_2}}}）^2}-\frac{1}{2}M{（\fracjfolmi3{{△{t_1}}}）^2}$．

點(diǎn)評 解決本題的關(guān)鍵掌握實(shí)驗的原理和操作方法，知道光電門測速的方法：在很短位移內(nèi)的平均速度代替瞬時速度．