Question

12．某同學把附有滑輪的長木板平放在實驗桌面上，將細繩一端拴在小車上，另一端繞過定滑輪，掛上適當的鉤碼使小車在鉤碼的牽引下運動，以此定量研究繩拉力做功與小車動能變化的關系．此外還準備了打點計時器及配套的電源、導線、復寫紙、紙帶、小木塊等．組裝的實驗裝置如圖所示．
①若要完成該實驗，必須的實驗器材還有哪些刻度尺、天平（包括砝碼）．
②實驗開始時，他先將木板傾斜，使小車能夠沿木板勻速滑動，他這樣做的目的是下列的哪個D（填字母代號）
A．避免小車在運動過程中發生抖動
B．可使打點計時器在紙帶上打出的點跡清晰
C．可以保證小車最終在細線的牽引下能夠實現勻速直線運動
D．可使細繩拉力等于小車受的合力
③將木板傾斜到適當角度后，當他用多個鉤碼牽引小車時，發現小車運動過快，致使打出的紙帶上點數太少，難以選到合適的點計算小車的速度．在保證所掛鉤碼數目不變的條件下，請你利用本實驗的器材提出一個解決方法可在小車上加適量的砝碼（或鉤碼）；
④他將鉤碼重力做的功當做細繩拉力做的功，經多次實驗發現拉力做功總是要比小車動能增量大一些，這一情況可能是下列哪些原因造成的CD（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．阻力未完全被小車重力沿木板方向的分力平衡掉
D．鉤碼做勻加速運動，鉤碼重力大于細繩拉力．

Answer 1

分析 ①根據該實驗的實驗原理確定應需要的儀器；
②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量，需要改變砝碼的質量來代替小車的拉力．
③紙帶上打出的點較小，說明小車的加速度過大（即小車過快），可以增加小車質量（在小車上加上適量的砝碼），或減少砝碼的拉力；
④根據W=mgs求出砂桶及砂的總重力做功，根據勻變速直線運動的平均速度等于中點時刻的瞬時速度求A、B的速度，即可得到動能的變化量，從而寫出探究結果表達式，根據此表達式分析所需要的測量儀器．

解答 解：①根據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量，即還需要刻度尺，天平（帶砝碼）．
②實驗過程中，為減少誤差，提高實驗的精確度，他先調節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．
③平衡摩擦力后，當他用多個鉤碼牽引小車時，發現小車運動過快，致使打出的紙帶上點數較少，即小車的加速度大，所以應減少小車的加速度，當小車的合力一定的情況下，據牛頓第二定律可知，應適當增大小車的質量，即在小車上加適量的砝碼．
④他將鉤碼重力做的功當做細繩拉力做的功，經多次實驗發現拉力做功總是要比小車動能增量大一些，從功能關系看出：該實驗一定有機械能轉化為內能的，即試驗中有存在摩擦力沒有被平衡掉；還有該實驗要求，只有當小車的質量遠大于砝碼的質量時，小車的拉力才近似等于砝碼的重力，故AB錯誤，CD正確．
故答案為：①刻度尺、天平（包括砝碼）；②D；③可在小車上加適量的砝碼（或鉤碼）； ④CD．

點評 本題考查驗證動能定理的實驗，要注意明確實驗原理往往是解決實驗問題的關鍵，該實驗的一些操作和要求與探究力、加速度、質量之間關系的實驗類似可以類比學習．