10.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;遮光片兩條長邊與導(dǎo)軌垂直;導(dǎo)軌上的B點(diǎn)有一光電門,可以測(cè)量遮光片經(jīng)過光電門時(shí)的擋光時(shí)間t.用d表示A點(diǎn)到導(dǎo)軌底端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,x表示A、B兩點(diǎn)間的距離,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$\frac{(Mh-md)gx}ezalyrg$,動(dòng)能的增加量可表示為$\frac{(m+M)^{2}}{2{t}^{2}}$.若在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械能守恒,$\frac{1}{{t}^{2}}$與x的關(guān)系式為$\frac{1}{{t}^{2}}$=$\frac{2(Mh-md)g}{(M+m)d^{2}}x$.
(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x與t值.結(jié)果如下表所示:
12345
x/(m)0.6000.8001.0001.2001.400
t/(ms)8.227.176.445.855.43
$\frac{1}{{t}^{2}}$/(×104 s-21.481.952.412.923.39
以x為橫坐標(biāo),$\frac{1}{{t}^{2}}$為縱坐標(biāo),在圖2位置的坐標(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=2.40×104 m-1•s-2(保留三位有效數(shù)字).
(3)由測(cè)得的h、d、b、M和m數(shù)值可以計(jì)算出$\frac{1}{{t}^{2}}$-x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.

分析 本題的關(guān)鍵是滑塊和砝碼組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒,在求系統(tǒng)減少的重力勢(shì)能時(shí)注意砝碼的重力勢(shì)能增加了mgs,滑塊和砝碼的速度大小相等,可求出系統(tǒng)增加的動(dòng)能,然后根據(jù)機(jī)械能守恒可得出$\frac{1}{{t}^{2}}$與s的關(guān)系式,再討論即可,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)當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)下降高度設(shè)為h′,此時(shí)砝碼上升的高度為x,由幾何關(guān)系可知h′=$\frac{hx}ynjfkr2$,故系統(tǒng)減少的重力勢(shì)能為:
△Ep=Mgh′-mgx=$\frac{(Mh-md)gx}xz8sl0b$.
由于系統(tǒng)從靜止開始運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn)時(shí)的速度vB=$\frac{t}$,故動(dòng)能的增加量為:
△Ek=$\frac{1}{2}$(M+m)v${\;}_{B}^{2}$=$\frac{(m+M)^{2}}{2{t}^{2}}$.
由△Ep=△Ek
可解得:$\frac{1}{{t}^{2}}$=$\frac{2(Mh-md)g}{(M+m)d^{2}}x$
(2)描點(diǎn)及作直線見圖.在圖中直線上取相距較遠(yuǎn)的兩點(diǎn),讀出兩點(diǎn)坐標(biāo),由k=$\frac{△(\frac{1}{{t}^{2}})}{△x}$可得:
k=2.40×104 m-1•s-2
(3)由測(cè)得的h、d、b、M和m數(shù)值可以計(jì)算出$\frac{1}{{t}^{2}}$-x直線的斜率ko=$\frac{2(Mh-md)g}{(M+m)d^{2}}$
比較k與ko,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)$\frac{(Mh-md)gx}mhkop8h$,$\frac{(m+M)^{2}}{2{t}^{2}}$,$\frac{2(Mh-md)g}{(M+m)d^{2}}x$;(2)2.40

點(diǎn)評(píng) 求解實(shí)驗(yàn)題的關(guān)鍵是正確利用物理規(guī)律列出方程,然后再求解即可,注意本實(shí)驗(yàn)屬于滑塊和砝碼組成的系統(tǒng)的機(jī)械能守恒;求斜率時(shí)要注意單位和有效數(shù)字的保留.

練習(xí)冊(cè)系列答案
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