Question

9．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”的實驗裝置，進行“探究合外力做功和動能變化的關(guān)系”的實驗：

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

計數(shù)點	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：在實驗誤差允許的范圍內(nèi)細繩拉力做的功等于小車動能的變化．
（3）這個小組在之前的一次實驗中分析發(fā)現(xiàn)拉力做功總是要比小車動能增量明顯大一些．這一情況可能是下列個些原因造成的C（填字母代號）．
A．在接通電源的同時釋放了小車            B．小車釋放時離打點計時器太近
C．平衡摩擦力時長木板傾斜程度不夠        D．平衡摩擦力時長木板傾斜程度過大
（4）實驗小組進一步討論認為可以通過繪制v²-s圖線來分析實驗數(shù)據(jù)．請根據(jù)表中各計數(shù)點的實驗數(shù)據(jù)在圖3中標出對應(yīng)的坐標點，并畫出v²-s圖線．分析△v²-s圖線為一條通過原點的直線，直線的斜率如果在實驗誤差允許的范圍內(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)該實驗的實驗原理、要求和減少誤差的角度分析，平衡摩擦力作用后，進行實驗過程中需要用刻度尺測量紙帶上點的距離，用天平測出小車的質(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)勻變速直線運動的平均速度等于中點時刻的瞬時速度求初末位置的速度，即可得到動能的變化量，從而寫出探究結(jié)果表達式，根據(jù)此表達式分析所需要的測量儀器．

解答 解：（1）①根據(jù)本實驗的實驗原理是合外力所做的功等于動能的變化量，通過研究紙帶來研究小車的速度，利用天平測量小車的質(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量紙帶上點的距離和用天平測得小車的質(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為達到平衡摩擦力的目的，取下細繩和托盤，通過調(diào)節(jié)墊片的位置，改變長木板傾斜程度，根據(jù)打出的紙帶判斷小車是否做勻速直線運動；
③、實驗過程中，為減少誤差，提高實驗的精確度，他先調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度，使牽引小車的細繩與木板平行，目的是消除摩擦帶來的誤差，即平衡摩擦力后，使細繩的拉力等于小車的合力，故ABC錯誤，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：在實驗誤差允許的范圍內(nèi)細繩拉力做的功等于小車動能的變化．
（3）他將鉤碼重力做的功當(dāng)做細繩拉力做的功，經(jīng)多次實驗發(fā)現(xiàn)拉力做功總是要比小車動能增量大一些，從功能關(guān)系看出：該實驗一定有轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的，即試驗 中有存在摩擦力沒有被平衡掉；還有該實驗要求，只有當(dāng)小車的質(zhì)量遠大于砝碼的質(zhì)量時，小車的拉力才近似等于砝碼的重力，故ABD錯誤，C正確．
故選：C．
（4）根據(jù)表中各計數(shù)點的實驗數(shù)據(jù)在圖中標出對應(yīng)的坐標點，并畫出v²-s圖線：

分析△v²-s圖線為一條通過原點的直線，直線的斜率如果在實驗誤差允許的范圍內(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勻速直線運動；③D；
（2）0.0915；0.0907；細繩拉力做的功等于小車動能的變化；
（3）C；
（4）如圖；$\frac{2F}{M}$．

點評 該題全面考查探究“合外力做功與物體動能變化的關(guān)系”實驗的原理，步驟，注意事項和數(shù)據(jù)的分析．這就要求我們隊該實驗由全面的掌握．題目的難度適中．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)．