Question

13．如圖1所示，某學(xué)生小組借用“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行“探究合外力做功和動(dòng)能變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)：

（1）實(shí)驗(yàn)明使小車在砝碼和托盤的牽引下運(yùn)動(dòng)，以此定量探究細(xì)繩拉力做功與小車動(dòng)能變化的關(guān)系．
①實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器及配套的電源、導(dǎo)線、復(fù)寫紙及圖1所示的器材．若要完成該實(shí)驗(yàn)，必需的實(shí)驗(yàn)器材還有刻度尺；天平（帶砝碼）．
②為達(dá)到平衡摩擦力的目的，取下細(xì)繩和托盤，通過調(diào)節(jié)墊片的位置，改變長(zhǎng)木板傾斜程度，根據(jù)打出的紙帶判斷小車是否做勻速直線運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)．
③實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，先調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度，使?fàn)恳�小車的�?xì)繩與木板平行．這樣做的目的是D（填字母代號(hào)）．
A．避免小車在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生抖動(dòng)
B．可使打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出的點(diǎn)跡清晰
C．可以保證小車最終能夠?qū)崿F(xiàn)勻速直線運(yùn)動(dòng)
D．可在平衡摩擦力后使細(xì)繩拉力等于小車受的合力
（2）連接細(xì)繩及托盤，放入砝碼，通過實(shí)驗(yàn)得到圖2所示的紙帶．紙帶上O為小車運(yùn)動(dòng)起始時(shí)刻所打的點(diǎn)，選取時(shí)間間隔為0.1s的相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G．
實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得小車的質(zhì)量為M=200g，小車所受細(xì)繩的拉力為F=0.2N．
各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O的距離為s，對(duì)應(yīng)時(shí)刻小車的瞬時(shí)速度為v，小車所受拉力做的功為W，小車動(dòng)能的變化為△E_k．請(qǐng)計(jì)算前補(bǔ)填表中空格（結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后四位）．

計(jì)數(shù)點(diǎn)	s/m	v/（m•s-1）	v2/（m2•s-2）	W/J	△Ek/J
A	0.1550	0.5560	0.3091	0.0310	0.0309
B	0.2160	0.6555	0.4297	0.0432	0.0430
C	0.2861	0.7550	0.5700	0.0572	0.0570
D	0.3670	0.8570	0.7344	0.0734	0.0734
E	0.4575	0.9525	0.9073
F	0.5575	1.051	1.105	0.1115	0.1105
G	0.6677	1.150	1.323	0.1335	0.1323

分析上述數(shù)據(jù)可知：在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)細(xì)繩拉力做的功等于小車動(dòng)能的變化．．
（3）這個(gè)小組在之前的一次實(shí)驗(yàn)中分析發(fā)現(xiàn)拉力做功總是要比小車動(dòng)能增量明顯大一些．這一情況可能是下列個(gè)些原因造成的C（填字母代號(hào)）．
A．在接通電源的同時(shí)釋放了小車
B．小車釋放時(shí)離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器太近
C．平衡摩擦力時(shí)長(zhǎng)木板傾斜程度不夠
D．平衡摩擦力時(shí)長(zhǎng)木板傾斜程度過大
（4）實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)一步討論認(rèn)為可以通過繪制v²-s圖線來分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．請(qǐng)根據(jù)表中各計(jì)數(shù)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在圖中標(biāo)出對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，并畫出v²-s圖線．

分析△v²-s圖線為一條通過原點(diǎn)的直線，直線的斜率如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)等于理論值，也可以得出相同的結(jié)論．這種方案中直線斜率表達(dá)式為k=$\frac{2F}{M}$（用題目中相關(guān)物理量字母表示）．

Answer 1

分析 根據(jù)該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、要求和減少誤差的角度分析，平衡摩擦力作用后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中需要用刻度尺測(cè)量紙帶上點(diǎn)的距離，用天平測(cè)出小車的質(zhì)量，需要改變砝碼的質(zhì)量來代替小車的拉力．根據(jù)W=Fs求出砂桶及砂的總重力做功，根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的平均速度等于中點(diǎn)時(shí)刻的瞬時(shí)速度求初末位置的速度，即可得到動(dòng)能的變化量，從而寫出探究結(jié)果表達(dá)式，根據(jù)此表達(dá)式分析所需要的測(cè)量?jī)x器．

解答 解：（1）①根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理是合外力所做的功等于動(dòng)能的變化量，通過研究紙帶來研究小車的速度，利用天平測(cè)量小車的質(zhì)量，利用砝碼的重力代替小車的合外力，所以需要刻度尺來測(cè)量紙帶上點(diǎn)的距離和用天平測(cè)得小車的質(zhì)量，即還需要刻度尺，天平（帶砝碼）．
故答案為：刻度尺；天平（帶砝碼）
②為達(dá)到平衡摩擦力的目的，取下細(xì)繩和托盤，通過調(diào)節(jié)墊片的位置，改變長(zhǎng)木板傾斜程度，根據(jù)打出的紙帶判斷小車是否做勻速直線運(yùn)動(dòng)；
③、實(shí)驗(yàn)過程中，為減少誤差，提高實(shí)驗(yàn)的精確度，他先調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度，使?fàn)恳�小車的�?xì)繩與木板平行，目的是消除摩擦帶來的誤差，即平衡摩擦力后，使細(xì)繩的拉力等于小車的合力，故ABC錯(cuò)誤，D正確．
故選：D．
（2）W=mgs=0.2×0.4595=0.0915J，
△E_k=$\frac{1}{2}$×0.2×0.9073=0.0907J，
分析上述數(shù)據(jù)可知：在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)細(xì)繩拉力做的功等于小車動(dòng)能的變化．
（3）他將鉤碼重力做的功當(dāng)做細(xì)繩拉力做的功，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)拉力做功總是要比小車動(dòng)能增量大一些，從功能關(guān)系看出：該實(shí)驗(yàn)一定有轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的，即試驗(yàn) 中有存在摩擦力沒有被平衡掉；還有該實(shí)驗(yàn)要求，只有當(dāng)小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于砝碼的質(zhì)量時(shí)，小車的拉力才近似等于砝碼的重力，故ABD錯(cuò)誤，C正確．
故選：C．
（4）根據(jù)表中各計(jì)數(shù)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在圖中標(biāo)出對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，并畫出v²-s圖線：

分析△v²-s圖線為一條通過原點(diǎn)的直線，直線的斜率如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)等于理論值，也可以得出相同的結(jié)論．
這種方案中直線斜率表達(dá)式為k=$\frac{2F}{M}$．
故答案為：（1）①刻度尺；天平（帶砝碼）；
②勻速直線運(yùn)動(dòng)；
③D
（2）0.0915；0.0907；細(xì)繩拉力做的功等于小車動(dòng)能的變化．
（3）C
（4）如圖；$\frac{2F}{M}$

點(diǎn)評(píng) 該題全面考查探究“合外力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的原理，步驟，注意事項(xiàng)和數(shù)據(jù)的分析．這就要求我們隊(duì)該實(shí)驗(yàn)由全面的掌握．題目的難度適中．明確實(shí)驗(yàn)原理往往是解決實(shí)驗(yàn)問題的關(guān)鍵，該實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)類似可以類比學(xué)習(xí)．