Question

【題目】某探究學習小組的同學欲以如圖裝置中的滑塊為對象驗證“動能定理”，他們在實驗室組裝了一套如圖所示的裝置，另外他們還找到了打點計時器所用的學生電源、導線、復寫紙、紙帶、小木塊、細沙、墊塊。當滑塊連接上紙帶，用細線通過滑輪掛上空的小沙桶時，釋放小桶，滑塊處于靜止狀態(tài)。若你是小組中的一位成員，要完成該項實驗，則：

(1)你認為還需要的實驗器材有_________、_________。(兩個)

(2)實驗時為了保證滑塊（質(zhì)量為M）受到的合力與沙和沙桶的總重力大小基本相等，沙和沙桶的總質(zhì)量m應滿足的實驗條件是_________，實驗時首先要做的步驟是 ________。

(3)在(2)的基礎上，某同學用天平稱量滑塊的質(zhì)量M。往沙桶中裝入適量的細沙，用天平稱出此時沙和沙桶的總質(zhì)量m。讓沙桶帶動滑塊加速運動，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L和這兩點的速度大小v1與v2（v1< v2）。則對滑塊，本實驗最終要驗證的數(shù)學表達式為___________________ （用題中的字母表示）。

(4)某同學想用該裝置探究滑塊與沙及沙桶組成的系統(tǒng)機械能是否守恒。他先調(diào)節(jié)木板一端高度，讓滑塊在沒有沙桶索引的情況下勻速運動。然后再讓沙桶帶動滑塊在傾斜木板上加速運動，用打點計時器記錄其運動情況，現(xiàn)在打點計時器打出的紙帶上取兩點，測出這兩點的間距L和這兩點的速度大小v1與v2（v1< v2）。如果實驗時滑塊質(zhì)量為M，沙及沙桶總質(zhì)量為m，傾斜木板的傾角為α，則能否用此方法來驗證滑塊與沙及沙桶組成的系統(tǒng)機械能是否守恒？如果不能，請說明理由；如果能，則最終需驗證的數(shù)學表達式為____________。（用題中的字母表示）

(5)現(xiàn)另一位同學用水平氣墊導軌（摩擦可忽略）替代長木板。讓沙桶帶動滑塊在水平氣墊導軌上加速運動，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L和這兩點的速度大小v1與v2（v1< v2）。你認為該同學方案能否探究滑塊與沙及沙桶組成的系統(tǒng)機械能是否守恒？實驗中滑塊質(zhì)量為M，沙及沙桶總質(zhì)量為m。如果不能，請說明理由；如果能，則寫出最終需驗證的數(shù)學表達式____________。（用題中的字母表示）

Answer 1

【答案】刻度尺天平m<<M平衡摩擦力不能，因系統(tǒng)有摩擦力一直做負功

【解析】

(1)驗證動能定理需要測量位移和質(zhì)量，則需要刻度尺和天平．

(2)根據(jù)牛頓第二定律得整體的加速度，則繩子的拉力,只有在m<<M時，滑塊(質(zhì)量為M)受到的合力與沙和沙桶的總重力大小基本相等．由于存在摩擦，所以實驗前先平衡摩擦力．

(3)驗證合力做功與動能變化量是否相等，因為合力做功為mgL，動能變化量為,即驗證熟悉表達式.

(4)雖然已經(jīng)平衡了摩擦力，但用的是滑塊的重力分力平衡，而摩擦力始終做負功，即系統(tǒng)除重力做功外還有其它力做功，故系統(tǒng)的機械能不守恒，不能驗證系統(tǒng)的機械能是否守恒.

(5)在實驗中，能量轉(zhuǎn)化是：沙桶和沙子的損失的重力勢能轉(zhuǎn)化為整個系統(tǒng)的動能，沙桶和沙子的損失的重力勢能為：mgL，整個系統(tǒng)增加的動能：，所以我們需要驗證：.