Question

某探究學習小組的同學欲探究恒力做功與物體動能變化的關(guān)系，他們在實驗室組裝了一套如圖（1）所示的裝置．他們找到的實驗器材還有：打點計時器所用的學生電源一臺、天平、刻度尺、導線、復寫紙、紙帶、小桶和沙子若干．將小車連接上紙帶，用細線通過滑輪掛上小沙桶．

  （1）某同學的實驗步驟如下：用天平稱量小車的質(zhì)量M和沙與桶的總質(zhì)量m．讓沙桶帶動小車加速運動，用打點計時器記錄其運動情況，在打點計時器打出的紙帶上取兩點，測出這兩點的間距，分別算出這兩點的速度．
   ①本實驗要使系統(tǒng)受到的摩擦力的影響降到最小，需要平衡摩擦力，該同學應(yīng)如何操作？
     答：

 

   ②本實驗認為小車所受的合外力等于沙與桶的重力，則該控制的實驗條件是什么？
     答：

 

．
  （2）在實驗操作正確的前提下，若挑選的一條點跡清晰的紙帶如圖（2）所示，已知相鄰兩個點間的時間間隔為T，從A點到B、C、D、E、F點距離依次為s₁、s₂、s₃、s₄、s₅（圖中未標出s₃、s₄、s₅）．則由此可求得紙帶上由B點到E點所對應(yīng)的過程中，合外力對小車做的功W=

 

；該小車動能改變量的表達式△E_k=

 

（結(jié)果用題中已知物理量的符號表示）；若滿足

 

，則動能定理得證．

Answer 1

分析：（1）①平衡摩擦力是用重力的下滑分量來平衡小車受到的摩擦力，故最簡潔的方法是調(diào)節(jié)木板傾角，使小車恰能勻速下滑；
②重物加速下滑，處于失重狀態(tài)，其對細線的拉力小于重力，要使其對細線的拉力近似等于重力，應(yīng)該使加速度減小，即重物的質(zhì)量應(yīng)該遠小于小車的質(zhì)量；
（2）根據(jù)功的定義得到總功，對紙帶處理得到B點和E點的速度，進一步得到動能的增加量，最后比較動能的增加量和總功即可．

解答：解：（1）①小車下滑時受到重力、細線的拉力、支持力和摩擦力，要使拉力等于合力，則應(yīng)該用重力的下滑分量來平衡摩擦力，故可以將長木板的一段墊高；
故答案為：調(diào)節(jié)木板傾角，使小車恰能勻速下滑；
②重物加速下滑，處于失重狀態(tài)，其對細線的拉力小于重力，設(shè)拉力為T，根據(jù)牛頓第二定律，有
對重物，有  mg-T=ma
對小車，有  T=Ma
解得
T=

M

M+m

mg
故當M＞＞m時，有T≈mg
故答案為：M＞＞m．
（2）重物的重力近似等于細線的拉力，根據(jù)功的定義，合力對小車的功為：mg（s₄-s₁）；
小車做勻加速直線運動，紙帶上任意一點的速度等于該點前后相鄰兩點間的平均速度，故B點速度為：

S2

2T

；E點速度為：

S5-S3

2T

；
故動能增加量為

1

2

m

(v

2 E

-

v

2 B

)=

M

8T2

[(S5-S3)2-

S

2 2

]；
驗證動能定理，其實就是要驗證動能增加量和合外力做功的情況，即驗證W≈△E_k；
故答案為：mg（s₄-s₁），

M

8T2

[(S5-S3)2-

S

2 2

]，W≈△E_k．

點評：本題關(guān)鍵是根據(jù)實驗原理并結(jié)合牛頓第二定律和動能定理來確定要測量的量、實驗的具體操作方法和實驗誤差的減小方法．