Question

19．某学习小组利用如图1所示的装置验证动能定理．

（1）安装好实验器材，要调节气垫导轨调至水平．操作应该是不挂砝码盘和细线，如果滑块能在气垫导轨上静止或做匀速运动或滑块经过两个光电门的时间相等则气垫导轨调整至水平状态．
（2）从装置图中读出两光电门中心之间的距离s=50.00cm；通过如图2游标卡尺测得挡光条的宽度d=2.25mm
（3）挡光条的宽度为d，记录挡光条通过光电门1和2所用的时间△t₁和△t₂，并从拉力传感器中读出滑块受到的拉力F，为了完成实验，还需要直接测量的一个物理量是滑块、挡光条和拉力传感器的总质量M；
（4）实验所验证的动能定理的表达式Fs=$\frac{1}{2}$Mv₂²-$\frac{1}{2}$Mv₁²=$\frac{1}{2}$M（$\frac{d}{{t}_{2}}$）²-$\frac{1}{2}$M（$\frac{d}{{t}_{1}}$）²（用（2）（3）中字母表示）
（5）该实验是否需要满足砝码盘和砝码的总质量远小于滑块、挡光条和拉力传感器的总质量？否（填“是”或“否”）．

Answer 1

分析 （1）气垫导轨调整至水平状态时，滑块受力平衡，做匀速直线运动或静止；
（2）先明确刻度尺的分度值，读数时注意估读一位；游标卡尺读数的方法是主尺读数加上游标读数，不需估读；
（3、4）光电门测速度的原理是用平均速度来代替瞬时速度，根据功能关系可以求出需要验证的关系式，进而得到还需要测量的物理量；
（5）该实验中由于已经用传感器测出绳子拉力大小，故不需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量．

解答 解：（1）实验时要调整气垫导轨水平．不挂钩码和细线，接通气源，如果滑块能在气垫导轨上静止或做匀速运动或滑块经两个光电门的时间相等，则表示气垫导轨调整至水平状态．
（2）光电门1处刻度尺读数为：20.30cm，光电门2处刻度尺读数为：70.30cm，故两光电门中心之间的距离s=70.30cm-20.30cm=50.00cm；
游标卡尺的主尺读数为2mm，游标尺上第5个刻度与主尺上某一刻度对齐，故其读数为0.05×5mm=0.25mm，所以最终读数为：2mm+0.25mm=2.25mm；
（3、4）由于光电门的宽度d很小，所以我们用很短时间内的平均速度代替瞬时速度．
滑块通过光电门1速度为：v₁=$\frac{d}{{t}_{1}}$
滑块通过光电门2速度为：v₂=$\frac{d}{{t}_{2}}$
根据功能关系需要验证的关系式为：Fs=$\frac{1}{2}$Mv₂²-$\frac{1}{2}$Mv₁²=$\frac{1}{2}$M（$\frac{d}{{t}_{2}}$）²-$\frac{1}{2}$M（$\frac{d}{{t}_{1}}$）²
可见还需要测量出M，即滑块、挡光条和拉力传感器的总质量；
（5）该实验中由于已经用传感器测出绳子拉力大小，不是将砝码和砝码盘的重力作为小车的拉力，故不需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量．
故答案为：（1）能在气垫导轨上静止或做匀速运动或滑块经过两个光电门的时间相等；
（2）50.00；  2.25；
（3）滑块、挡光条和拉力传感器的总质量M；
（4）Fs=$\frac{1}{2}$Mv₂²-$\frac{1}{2}$Mv₁²=$\frac{1}{2}$M（$\frac{d}{{t}_{2}}$）²-$\frac{1}{2}$M（$\frac{d}{{t}_{1}}$）²；
（5）否

点评 了解光电门测量瞬时速度的原理，实验中我们要清楚研究对象和研究过程，对于系统我们要考虑全面，同时明确实验原理是解答实验问题的前提．