Question

14．如圖所示是某同學設計的“探究加速度a與物體所受合力F及質量m間關系”的實驗．圖a為實驗裝置簡圖，A為小車，B為打點計時器，C為裝有砂的砂桶，D為一端帶有定滑輪的長方形木板，實驗中認為細繩對小車拉力F等于砂和砂桶總重力，小車運動加速度a可由紙帶求得．

（1）圖b為某次實驗得到的紙帶（交流電的頻率為50Hz），由圖中數據求出小車加速度值為3.19m/s²；
（2）保持小車質量不變，改變砂和砂桶質量，該同學根據實驗數據作出了加速度a與合力F圖線如圖c，該圖線不通過原點，明顯超出偶然誤差范圍，其主要原因是未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足；
（3）若實驗中將小車換成滑塊，將木板水平放置可測出滑塊與木板間的動摩擦因數μ．要測出動摩擦因數μ，需要測量的物理量有砂和砂桶質量m、木塊的質量M、以及對應的加速度a；實驗測得的動摩擦因數μ比真實值偏大（填“偏大”或“偏小”）．

Answer 1

分析 （1）根據△x=aT²求出紙帶的加速度．
（2）圖線不通過坐標原點，當F為某一值時，加速度為零，知平衡摩擦力不足；
（3）對滑塊、砂和砂桶進行受力分析，根據牛頓第二定律可正確解答．

解答 解：（1）由于每相鄰兩個計數點間還有1個點，所以相鄰的計數點間的時間間隔T=0.04s，
設第一段相鄰的計數點的距離為x₁，以后各段分別為x₂、x₃、x₄，根據勻變速直線運動的推論公式△x=aT²可以求出加速度的大小，得：
x₄-x₂=2a₁T² 
x₃-x₁=2a₂T² 
為了更加準確的求解加速度，我們對兩個加速度取平均值得：a=$\frac{1}{2}$（a₁+a₂）
解得：a=$\frac{0.0772+0.0721-0.0670-0.0619}{4×0.0{4}^{2}}$=3.19m/s²，
（2）圖線不通過坐標原點，F不為零時，加速度仍為零，知未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足．
（3）設滑塊的質量為M，砂和砂桶的質量為m，根據牛頓第二定律得：
對m：mg-F_拉=ma
對M：F_拉-μMg=Ma
解得：μ=$\frac{mg-（m+M）a}{Mg}$
而實驗測得的動摩擦因數為：μ′=$\frac{mg-Ma}{Mg}$
需要測量的物理量有：砂和砂桶質量m、木塊的質量M、以及對應的加速度a．
所以驗測得的動摩擦因數μ比真實值偏大．
故答案為：（1）3.19；（2）未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足；（3）砂和砂桶質量m、木塊的質量M、以及對應的加速度a；偏大

點評 運用勻變速直線運動的公式處理紙帶的問題是力學實驗里常見的問題，紙帶法實驗中，若紙帶勻變速直線運動，利用勻變速直線運動的推論可求加速度．由于相鄰的時間間隔位移之差不等，我們可以采用逐差法求解．該實驗的重要一步就是平衡摩擦力，使得小車的合力近似等于砝碼和盤得總重力．