Question

13．某實驗小組按照如圖1所示的裝置對高中學生實驗進行連續探究或驗證：實驗一“探究小車做勻變速直線運動規律”、實驗二“驗證牛頓第二定律”、實驗三“探究小車受到的合力的功與動能變化的關系”．
（1）下列說法正確的是BD
A、三個實驗操作中均先釋放小車，再接通打點計時器的電源
B、實驗一不需要平衡摩擦力，實驗二和實驗三需要平衡摩擦力
C、實驗一和實驗二需要滿足小車質量遠大于鉤碼總質量，實驗三則不需要
D、要求全部完成上述三個實驗，除了圖中所示的實驗器材外，還須提供的共同實驗器材有刻度尺
（2）實驗小組按照規范操作打出的紙帶如圖2所示，已知相鄰計數點時間為T，間距為s₁、s₂、s₃，鉤碼總質量為m，小車質量為M，且M＞＞m，重力加速度為g，以小車為研究對象，那么從b到c小車合力做的功W=mgs₂，小車動能的變化△E_k=$\frac{1}{2}$M[${（\frac{{{s}_{2}+s}_{3}}{2T}）}^{2}$-${（\frac{{{s}_{1}+s}_{2}}{2T}）}^{2}$]．
（3）在第（2）問中，用鉤碼總重力代替小車受到的拉力，存在系統誤差（填“偶然誤差”或“系統誤差”）；為了準確探究，在保留原裝置基礎上，請提出一條合理的改進措施讓該實驗滿足鉤碼的質量遠小于小車的質量．．

Answer 1

分析 （1）根據打點計時器使用的注意事項以及各個實驗的注意事項依次分析即可；
（2）紙帶法實驗中，若紙帶勻變速直線運動，測得紙帶上的點間距，利用勻變速直線運動的推論，可計算出打出某點時紙帶運動的瞬時速度，從而求出動能．根據功的定義求出合外力對小車做功；
（3）由圖象可知，當F=0時，a≠0．也就是說當繩子上沒有拉力時小車就有加速度，該同學實驗操作中平衡摩擦力過大，即傾角過大．

解答 解：（1）根據打點計時器使用的注意事項可知，三個實驗操作中均先接通打點計時器的電源，在釋放小車．故A錯誤；
B、實驗“探究小車做勻變速直線運動規律”中，只探索速度隨時間的變化，不需要平衡摩擦力；實驗二和實驗三探索合外力與加速度、或做功的關系，所以都需要平衡摩擦力．故B正確；
C、實驗“探究小車做勻變速直線運動規律”中，只探索速度隨時間的變化，不需要滿足小車質量遠大于鉤碼總質量；實驗三“探究小車受到的合力的功與動能變化的關系”中，將鉤碼的總重力看作是小車受到的合外力，則需要滿足小車質量遠大于鉤碼總質量．故C錯誤；
D、要求全部完成上述三個實驗，除了圖中所示的實驗器材外，還須提供的共同實驗器材有刻度尺，來測量紙帶上點與點之間的距離．故D正確．
故選：BD
（2）對bc段進行研究，則合外力對小車做功為W_合=mgs₂，
利用勻變速直線運動的推論v_b=$\frac{{{s}_{1}+s}_{2}}{2T}$；
v_c=$\frac{{{s}_{2}+s}_{3}}{2T}$；
小車動能的增加量△E_kbc=$\frac{1}{2}$M[${（\frac{{{s}_{2}+s}_{3}}{2T}）}^{2}$-${（\frac{{{s}_{1}+s}_{2}}{2T}）}^{2}$]
（3）在第（2）問中，用鉤碼總重力代替小車受到的拉力，在小車加速的過程中，其加速度：a=$\frac{mg}{m+M}$
所以對小車的拉力：$F=Ma=\frac{M}{m+M}•mg$＜mg，可知存在一定的系統誤差；
為了準確探究，需要讓該實驗滿足：m＜＜M，即鉤碼的質量遠小于小車的質量．
故答案為：（1）BD；（2）mgs₂，$\frac{1}{2}$M[${（\frac{{{s}_{2}+s}_{3}}{2T}）}^{2}$-${（\frac{{{s}_{1}+s}_{2}}{2T}）}^{2}$]；（3）系統誤差，讓該實驗滿足鉤碼的質量遠小于小車的質量．

點評 要明確此題在驗證合外力的功與動能變化間的關系中用到的原理，圍繞實驗原理，明確實驗目的，根據相應的物理規律可知需要測量的物理量及實驗時的注意事項．