Question

3．某同学在探究“恒力做功与物体动能变化的关系”实验中，操作步骤如下：
①按如图所示安装实验装置；
②将质量为200g的小车置于打点计时器附近，并按住小车；
③从质量为5g，20g，50g的三种钩码中，挑选50g的钩码挂上；
④接通电源后，由静止释放小车，打出一条纸带．
在多次重复实验得到的纸带中取出比较理想的一条，经测量计算，得到第1个点到第N个点的距离为50.00cm，打第N点时小车的动能为0.196J．该同学将钩码的重力大小当做小车所受的拉力大小，算出从打下第1点到打下第N点的过程中拉力对小车做的功为0.245J（当地g=9.80m/s²，保留三位有效数字）；此次实验探究结果明显不满足动能定理，请你根据该同学的实验装置和操作过程帮助他分析一下，其主要原因是：①没有平衡摩擦力；②钩码的质量没有远小于小车的质量．

Answer 1

分析 根据重力当做小车所受的拉力和钩码下降的距离可以求出拉力对小车做的功大小，根据小车在N点的速度可以求出小车动能的增量；
该实验产生误差的主要原因一是钩码重力大小并不等于绳子拉力的大小，二是没有平衡摩擦力．

解答 解：从打下第一点到打下第N点拉力对小车做的功：W=mgs=50×10³×9.80×0.50=0.245J；
小车的动能增量为：0.196J．
该实验产生误差的主要原因一是钩码重力大小并不等于绳子拉力的大小，设绳子上拉力为F，对小车根据牛顿第二定律有：
F=Ma    ①
对砂桶和砂有：mg-F=ma   ②
$F=\frac{mgM}{M+m}=\frac{mg}{1+\frac{m}{M}}$，
由此可知当M＞＞m时，砂和砂桶的重力等于绳子的拉力，显然该实验中没有满足这个条件；另外该实验要进行平衡摩擦力操作，否则也会造成较大误差．
故答案为：0.245；没有平衡摩擦力；钩码的质量没有远小于小车的质量

点评 明确实验原理往往是解决实验问题的关键，该实验的一些操作和要求与探究力、加速度、质量之间关系的实验类似可以类比学习．