Question

17．為驗證“拉力做功與物體動能改變的關(guān)系”，某同學(xué)到實驗室找到下列器材：長木板（一端帶定滑輪）、電磁打點計時器、質(zhì)量為200g的小車、質(zhì)量分別為10g、30g和50g的鉤碼、細(xì)線、學(xué)生電源（有“直流”和“交流”檔）．該同學(xué)進行下列操作
A．組裝實驗裝置，如圖a所示
B．將質(zhì)量為200g的小車?yán)�到打點計時器附近，并按住小車
C．選用50g的鉤碼掛在拉線的掛鉤P上
D．釋放小車，接通打點計時器的電源，打出一條紙帶
E．在多次重復(fù)實驗得到的紙帶中選出一條點跡清晰的紙帶，如圖b所示
F．進行數(shù)據(jù)采集與處理    
請你完成下列問題：

（1）進行實驗時，學(xué)生電源應(yīng)選擇用交流檔（選填“直流”或“交流”）．
（2）該同學(xué)將紙帶上打的第一個點標(biāo)為“0”，且認(rèn)為打“0”時小車的速度為零，其后依次標(biāo)出計數(shù)點1、2、3、4、5、6（相鄰兩個計數(shù)點間還有四個點未畫），各計數(shù)點間的時間間隔為0.1s，如圖b所示．該同學(xué)測量出計數(shù)點0到計數(shù)點3、4、5的距離，并標(biāo)在圖b上．則在打計數(shù)點4時，小車的速度大小為0.58m/s；如果將鉤碼的重力在數(shù)值上當(dāng)作小車所受的拉力，則在打計數(shù)點0到4的過程中，拉力對小車做的功為5.9×10^-2J，小車的動能增量為3.4×10^-2J．（取重力加速度g=9.8m/s²，結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字） 
（3）由（2）中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該同學(xué)并沒有能夠得到“拉力對物體做的功等于物體動能增量”的結(jié)論，且對其他的點（如2、3、5點）進行計算的結(jié)果與“4”計數(shù)點相似．你認(rèn)為產(chǎn)生這種實驗結(jié)果的主要原因有（寫出兩條即可） 
①小車的質(zhì)量不滿足遠(yuǎn)大于鉤碼質(zhì)量；
②沒有平衡摩擦力．

Answer 1

分析 （1）打點計時器是一種計時儀器，使用交流電源；
（2）將砝碼重力當(dāng)作小車所受合外力，根據(jù)功的定義可以正確解答，根據(jù)勻變速直線運動中時間中點的瞬時速度等于該過程中的平均速度可以求出第4個點的速度大小，進一步求出其動能大��；
（3）實驗誤差主要來自兩個方面一是由實驗原理不完善，沒有平衡摩擦力導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，一是由數(shù)據(jù)測量如測量距離等導(dǎo)致的偶然誤差，可以從這兩個方面進行分析．

解答 解：（1）打點計時器使用交流電，則學(xué)生電源應(yīng)選擇用交流擋．
（2）點4的瞬時速度等于3、5兩點間的平均速度，則${v}_{4}=\frac{{x}_{35}}{2T}=\frac{0.1850-0.0690}{0.2}=0.58m/s$，
在打計數(shù)點0到4的過程中，拉力對小車做的功為：W=mgs=0.05×9.8×0.12=0.059J；
小車的動能增量為：△E_K=$\frac{1}{2}M{{v}_{4}}^{2}$=$\frac{1}{2}×0.2×0.5{8}^{2}$=0.034J；
（3）該實驗產(chǎn)生誤差的主要原因一是鉤碼重力大小并不等于繩子拉力的大小，設(shè)繩子上拉力為F，對小車根據(jù)牛頓第二定律有：
F=Ma…①
對砂桶和砂有：mg-F=ma…②
F=$\frac{M}{M+m}mg$，
由此可知當(dāng)M＞＞m時，砂和砂桶的重力等于繩子的拉力，顯然該實驗中沒有滿足這個條件；另外該實驗要進行平衡摩擦力操作，否則也會造成較大誤差．
故答案為：（1）交流，（2）0.58，0.059，0.034（3）①小車的質(zhì)量不滿足遠(yuǎn)大于鉤碼質(zhì)量，②沒有平衡摩擦力．

點評 明確實驗原理往往是解決實驗問題的關(guān)鍵，該實驗的一些操作和要求與探究力、加速度、質(zhì)量之間關(guān)系的實驗類似可以類比學(xué)習(xí)．