Question

10．測量滑塊與水平桌面之間的動摩擦因數(shù)的實驗裝置如圖所示．實驗步驟如下：

①用游標卡尺測量擋光條的寬度l；用米尺測量O點到光電門A之間的距離d；
②調(diào)整輕滑輪，使細線水平；
③讓滑塊上的擋光條在桌面上O點的正上方并在砝碼盤中加上一定的砝碼，然后從O點由靜止釋放滑塊，讀出力傳感器的讀數(shù)F和數(shù)字毫秒計上顯示的擋光條經(jīng)過光電門的時間△t；
④根據(jù)擋光條的寬度l、O點到光電門A之間的距離d、擋光條經(jīng)過光電門的時間△t，求出滑塊運動時的加速度a；
⑤多次重復(fù)步驟③④，得到多組力的數(shù)據(jù)F與對應(yīng)的滑塊加速度a；
⑥根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)作出a-F圖象，計算滑塊與水平桌面之間的動摩擦因數(shù)μ．
請回答下列問題：
（1）滑塊的加速度a可以用d、l、△t表示，則a的表達式為$\frac{{l}^{2}}{2d△{t}^{2}}$．
（2）在此實驗中不要求（填“要求”或“不要求”）砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠小于滑塊、擋光條以及力傳感器的總質(zhì)量．
（3）在實驗步驟⑤中，我們得到多組力的數(shù)據(jù)F與對應(yīng)的滑塊加速度a的數(shù)據(jù)如下表所示，請在坐標紙中畫出a-F圖象．

測量次數(shù)	1	2	3	4	5
力傳感器讀數(shù)F（N）	0.32	0.43	0.51	0.58	0.66
測量計算的加速度a（m/s2）	0.59	1.20	1.51	1.89	2.31

（4）根據(jù)圖象求出滑塊與水平桌面之間的動摩擦因數(shù)μ=0.12（保留兩位有效數(shù)字）．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)運動學公式，結(jié)合光電門的平均速度等于瞬時速度，即可求解；
（2）該實驗中由于已經(jīng)用傳感器測出繩子拉力大小，故不需要滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量；
（3）通過表格數(shù)據(jù)，描點作圖；
（4）根據(jù)牛頓第二定律，結(jié)合a-F圖象的縱截距，即可求解．

解答 解：（1）滑塊到達光電門的瞬時速度v=$\frac{l}{△t}$
根據(jù)運動學公式${v}_{\;}^{2}-{v}_{0}^{2}=2ax$，
則滑塊的加速度表達式為a=$\frac{{v}^{2}}{2d}$=$\frac{{l}^{2}}{2d△{t}^{2}}$
（2）該實驗中由于已經(jīng)用傳感器測出繩子拉力大小，不是將砝碼和砝碼盤的重力作為小車的拉力，故不需要滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量；
（3）根據(jù)描點法作出圖象，如圖所示：

（4）根據(jù)牛頓第二定律，則有：F-μmg=ma
那么a=$\frac{1}{m}F$-μg
因此a-F圖象與縱坐標的截距b=-μg，
則滑塊與水平桌面之間的動摩擦因數(shù)μ=$-\frac{g}$=0.12；
故答案為：（1）$\frac{{l}^{2}}{2d△{t}^{2}}$； （2）不要求； （3）如上圖所示；（4）0.12．

點評 了解光電門測量瞬時速度的原理，實驗中我們要清楚研究對象和研究過程，對于系統(tǒng)我們要考慮全面，同時明確實驗原理是解答實驗問題的前提；并掌握牛頓第二定律與運動學公式的應(yīng)用，注意圖象的縱截距的含義．