Question

1．某同学为探究“恒力做功与物体动能改变的关系”，设计了如下实验，他的操作步骤是：
①连接好实验装置如图所示．
②将质量为200g的小车拉到打点计时器附近，并按住小车．
③在质量为10g、50g的两种钩码中，他挑选了其中一个钩码挂在拉线的挂钩P上．
④打开打点计时器的电源，释放小车，打出一条纸带．

（1）为了实验减小误差，步骤③当中应当挑选质量为10g的钩码
（2）在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条．经测量、计算，得到如下数据：
①第一个点到第N个点的距离为40.0cm．
②打下第N点时小车的速度大小为0.5m/s．该同学将钩码的重力当作小车所受的拉力，拉力对小车做的功为0.04J，小车动能的增量为0.025J．
（3）此次实验探究结果，他没能得到“恒力对物体做的功等于物体动能的增量”，且误差很大．显然，在实验探究过程中还有操作不妥的地方．请你根据该同学的实验装置和操作过程帮助分析一下，造成较大误差的主要原因是（写出一个原因）：小车质量没有远大于钩码的质量；没有平衡摩擦力．

Answer 1

分析 （1）当钩码远小于小车的质量时，可减小实验误差；
（2）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；
（3）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：（1）应选择质量相对较小的，确保钩码远小于小车的质量；因此选取10g；
（2）从打下第一点到打下第N点拉力对小车做的功：W=mgs=0.01×10×0.4=0.04J；
小车的动能增量为：△E_k=$\frac{1}{2}$Mv²=$\frac{1}{2}×0.2×0．{5}^{2}$=0.025J．
（3）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：（1）10；（2）0.04，0.025；（3）小车质量没有远大于钩码的质量；没有平衡摩擦力．

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．