Question

20．現(xiàn)要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示：水平桌面上固定一傾斜的氣墊導(dǎo)軌；導(dǎo)軌上A點(diǎn)處有一帶長(zhǎng)方形遮光片的滑塊，其總質(zhì)量為M，左端由跨過輕質(zhì)光滑定滑輪的細(xì)繩與一質(zhì)量為m的砝碼相連；遮光片兩條長(zhǎng)邊與導(dǎo)軌垂直；導(dǎo)軌上B點(diǎn)有一光電門，可以測(cè)試遮光片經(jīng)過光電門時(shí)的擋光時(shí)間t，用d表示A點(diǎn)到導(dǎo)軌低端C點(diǎn)的距離，h表示A與C的高度差，b表示遮光片的寬度，s表示A，B兩點(diǎn)的距離，將遮光片通過光電門的平均速度看作滑塊通過B點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度．用g表示重力加速度．

完成下列填空和作圖；
（1）若將滑塊自A點(diǎn)由靜止釋放，則在滑塊從A運(yùn)動(dòng)至B的過程中，滑塊、遮光片與砝碼組成的系統(tǒng)重力勢(shì)能的減小量可表示為Mg$\frac{h}rpzzdem$s-mgs．動(dòng)能的增加量可表示為$\frac{1}{2}$（m+M）$\frac{^{2}}{{t}^{2}}$．若在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械能守恒，$\frac{1}{{t}^{2}}$與s的關(guān)系式為$\frac{1}{{t}^{2}}$=$\frac{2（hM-dm）g}{（M+m）d^{2}}$s．
（2）多次改變光電門的位置，每次均令滑塊自同一點(diǎn)（A點(diǎn)）下滑，測(cè)量相應(yīng)的s與t值，結(jié)果如表所示：

	1	2	3	4	5
S（m）	0.600	0.800	1.000	1.200	1.400
T（m/s）	8.22	7.17	6.44	5.85	5.43
1/t2（104s-2）	1.48	1.95	2.41	2.92	3.39

以s為橫坐標(biāo)，$\frac{1}{{t}^{2}}$為縱坐標(biāo)，在圖2坐標(biāo)紙中描出第1和第5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；根據(jù)5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作直線，求得該直線的斜率k=2.39×10⁴m^-1•s^-2 （保留3位有效數(shù)字）．
由測(cè)得的h、d、b、M和m數(shù)值可以計(jì)算出$\frac{1}{{t}^{2}}$-s直線的斜率k₀，將k和k₀進(jìn)行比較，若其差值在實(shí)驗(yàn)允許的范圍內(nèi)，則可認(rèn)為此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．

Answer 1

分析 這是一個(gè)根據(jù)書本上驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)改裝后的題目．
這題的關(guān)鍵在于研究對(duì)象不是單個(gè)物體而是滑塊、遮光片與砝碼組成的系統(tǒng)．
對(duì)于系統(tǒng)的重力勢(shì)能變化量要考慮系統(tǒng)內(nèi)每一個(gè)物體的重力勢(shì)能變化量．動(dòng)能也是一樣．
光電門測(cè)量瞬時(shí)速度是實(shí)驗(yàn)中常用的方法．由于光電門的寬度b很小，所以我們用很短時(shí)間內(nèi)的平均速度代替瞬時(shí)速度．
根據(jù)變量的數(shù)據(jù)作出圖象，結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)求出斜率．

解答 解：（1）滑塊、遮光片下降重力勢(shì)能減小，砝碼上升重力勢(shì)能增大．
所以滑塊、遮光片與砝碼組成的系統(tǒng)重力勢(shì)能的減小量△E_P=Mg$\frac{h}rzwxudn$s-mgs
光電門測(cè)量瞬時(shí)速度是實(shí)驗(yàn)中常用的方法．由于光電門的寬度b很小，所以我們用很短時(shí)間內(nèi)的平均速度代替瞬時(shí)速度．
v_B=$\frac{t}$
根據(jù)動(dòng)能的定義式得出：
△E_k=$\frac{1}{2}$（m+M）v_B²=$\frac{1}{2}$（m+M）$\frac{^{2}}{{t}^{2}}$
若在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械能守恒，△E_k=△E_P
$\frac{1}{{t}^{2}}$與s的關(guān)系式為$\frac{1}{{t}^{2}}$=$\frac{2（hM-dm）g}{（M+m）d^{2}}$s
（2）見圖
運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)求得斜率k=$\frac{（3.39-1.48）×1{0}^{4}}{（1.4-0.6）}$=2.39×10⁴m^-1•s^-2
由測(cè)得的h、d、b、M和m數(shù)值可以計(jì)算出$\frac{1}{{t}^{2}}$-s直線的斜率k_o=$\frac{2（hM-dm）g}{（M+m）d^{2}}$
比較k與k_o，若其差值在試驗(yàn)允許的范圍內(nèi)，則可認(rèn)為此試驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．
故答案為：（1）Mg$\frac{h}zpfyoaf$s-mgs，$\frac{1}{2}$（m+M）$\frac{^{2}}{{t}^{2}}$，$\frac{2（hM-dm）g}{（M+m）d^{2}}$s；
（2）如上圖，2.39×10⁴m^-1•s^-2．

點(diǎn)評(píng) 這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)于我們可能是一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)，但該實(shí)驗(yàn)的原理都是我們學(xué)過的物理規(guī)律．
做任何實(shí)驗(yàn)問題還是要從最基本的物理規(guī)律入手去解決．對(duì)于系統(tǒng)問題處理時(shí)我們要清楚系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)物體能的變化．
求斜率時(shí)要注意單位和有效數(shù)字的保留．