Question

12．在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”時(shí)，采用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置，小車及車中的砝碼質(zhì)量用M表示，盤及盤中的砝碼質(zhì)量用m表示，小車的加速度可由小車后拖動(dòng)的紙帶由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的點(diǎn)計(jì)算出．

（1）當(dāng)M與m的大小關(guān)系滿足M＞＞m時(shí)，才可以認(rèn)為繩子對(duì)小車的拉力大小等于盤和砝碼的重力．
（2）一組同學(xué)在先保持盤及盤中的砝碼質(zhì)量一定，探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系，以下做法正確的是B
A．平衡摩擦力時(shí)，應(yīng)將盤及盤中的砝碼用細(xì)繩通過(guò)定滑輪系在小車上
B．每次改變小車的質(zhì)量時(shí)，不需要重新平衡摩擦力
C．實(shí)驗(yàn)時(shí)，先放開小車，再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源D．求小車運(yùn)動(dòng)的加速度時(shí)，可用天平測(cè)出盤及盤中的砝碼質(zhì)量m以及小車質(zhì)量M，直接用公式a=$\frac{mg}{M}$求出
（3）在“探究加速度與合外力關(guān)系”時(shí)，作出了如圖丙所示的（a）、（b）圖象，圖丙中（a）中三線表示實(shí)驗(yàn)中小車的質(zhì)量不同；圖丙中（b）中圖線不過(guò)原點(diǎn)的原因是平衡摩擦力過(guò)度．
（4）圖乙是上述實(shí)驗(yàn)打出的一條紙帶，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期是0.02s，結(jié)合圖中給出的數(shù)據(jù)，求出小車運(yùn)動(dòng)加速度的大小為4.0m/s²，并求出紙帶中P點(diǎn)瞬時(shí)速度大小為2.6m/s（計(jì)算結(jié)果均保留2位有效數(shù)字）

Answer 1

分析 （1）當(dāng)盤及盤中砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車及砝碼總質(zhì)量時(shí)，可以認(rèn)為小車受到的拉力等于盤及砝碼的重力．
（2）平衡摩擦力時(shí)，不能掛盤；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)保證繩和紙帶與木板平行；小車的加速度應(yīng)由紙帶求出．
（3）由b圖象可以看出：圖線不通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，當(dāng)加速度為某一值時(shí)，F(xiàn)為零，知平衡摩擦力過(guò)度．由D圖象可以看出：圖線不通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，當(dāng)拉力為某一值時(shí)，a為零，知沒有平衡摩擦力或傾角過(guò)��；
（4）由圖可知每?jī)捎?jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，由逐差法求出小車的加速度；以P為中間時(shí)刻，求出平均速度即為P點(diǎn)的瞬時(shí)速度．

解答 解：（1）該實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是小車，采用控制變量法研究．當(dāng)質(zhì)量一定時(shí)，研究小車的加速度和小車所受合力的關(guān)系．為消除摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，可以把木板D的左端適當(dāng)墊高，以使小車的重力沿斜面分力和摩擦力抵消，那么小車的合力就是繩子的拉力．
根據(jù)牛頓第二定律得：
對(duì)m：mg-F_拉=ma
對(duì)M：F_拉=Ma
解得：F_拉=$\frac{Mmg}{M+m}=\frac{mg}{1+\frac{m}{M}}$，當(dāng)M＞＞m時(shí)，即當(dāng)砝碼和盤的總重力要遠(yuǎn)小于小車的重力，繩子的拉力近似等于砝碼和盤的總重力．
（2）A、平衡摩擦力時(shí)，應(yīng)將繩從小車上拿去，輕輕推動(dòng)小車，使小車沿木板運(yùn)動(dòng)，通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出來(lái)的紙帶判斷小車是否勻速運(yùn)動(dòng)．故A錯(cuò)誤．
B、每次改變小車的質(zhì)量時(shí)，小車的重力沿斜面分力和摩擦力仍能抵消，不需要重新平衡摩擦力．故B正確．
C、小車運(yùn)動(dòng)的加速度是利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量，如果用天平測(cè)出m以及小車質(zhì)量M，直接用公式a=$\frac{mg}{M}$求出，這是在直接運(yùn)用牛頓第二定律計(jì)算的，而我們實(shí)驗(yàn)是在探究加速度與物體所受合外力和質(zhì)量間的關(guān)系．故C錯(cuò)誤．
故選：B
（3）b圖：當(dāng)F=0時(shí)，a≠0．也就是說(shuō)當(dāng)繩子上沒有拉力時(shí)小車就有加速度，該同學(xué)實(shí)驗(yàn)操作中平衡摩擦力過(guò)大，即傾角過(guò)大．
（4）由圖可知，兩計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為：T=2×0.02s=0.04s；
由逐差法可得：
a=$\frac{{x}_{4}+{x}_{5}+{x}_{6}-{x}_{1}-{x}_{2}-{x}_{3}}{9{T}^{2}}$=$\frac{（9.68+10.33+10.95）-（7.74+8.41+9.05）}{0.09}$=400cm/s²=4.0m/s²；
勻變速直線運(yùn)動(dòng)中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于該段時(shí)間內(nèi)的平均速度，故有：
v_P=$\frac{9.68+10.33+10.95}{3×0.04}$=258cm/s=2.6m/s
故答案為：（1）M＞＞m；（2）B；（3）質(zhì)量，平衡摩擦力過(guò)度（或  木板傾角過(guò)大）；（4）4.0，2.6

點(diǎn)評(píng) 解決實(shí)驗(yàn)問題首先要掌握該實(shí)驗(yàn)原理，了解實(shí)驗(yàn)的操作步驟和數(shù)據(jù)處理以及注意事項(xiàng)．
第3題考查的是力學(xué)問題，把長(zhǎng)木板的一端墊得過(guò)高，使得傾角偏大，會(huì)導(dǎo)致重力沿斜面向下的分力增大，摩擦力減小等現(xiàn)象，這些我們都要從學(xué)過(guò)的力學(xué)知識(shí)中解決．