Question

13．像打點計時器一樣，光電計時器也是一種研究物體運動情況的常見計時儀器，其結(jié)構(gòu)如圖甲所示，a、b分別是光電門的激光發(fā)射和接收裝置．當(dāng)有物體從a、b間通過時，光電計時器就可以顯示物體的擋光時間．現(xiàn)利用圖乙所示裝置設(shè)計一個“探究物體運動的加速度與合外力、質(zhì)量關(guān)系的實驗，圖中NQ是水平桌面、PQ是一端帶有滑輪的長木板，1、2是固定在木板上的兩個光電門（與之連接的兩個光電計時器沒有畫出）．小車上固定著用于擋光的窄片K，讓小車從木板的頂端滑下，光電門各自連接的計時器顯示窄片K的擋光時間分別為t₁和t₂．

（1）用游標(biāo)卡尺測量窄片K的寬度d（已知L＞＞d），光電門1，2各自連接的計時器顯示的擋光時間分別為t₁、t₂．則窄片K通過光電門1的速度表達(dá)式v₁=$\frac7ps7p9a{{t}_{1}}$．
（2）用米尺測量兩光電門間距為l，則小車的加速度表達(dá)式a=$\frac{{（\fracpsuxme9{{t}_{2}}）}^{2}-{（\fraca272m92{{t}_{1}}）}^{2}}{2L}$．
（3）該實驗中，為了把砂和砂桶拉車的力當(dāng)作小車受的合外力，就必須平衡小車受到的摩擦力，正確的做法不掛砂和砂桶，調(diào)節(jié)長木板的傾角，輕推小車讓其下滑，直至兩個光電門的讀數(shù)相等為止．
（4）實驗中，有位同學(xué)通過測量，把砂和砂桶的重力當(dāng)作小車的合外力F，作出a-F圖線，如圖丙中的實線所示．試分析：圖線不通過坐標(biāo)原點O的原因是平衡摩擦力時木板傾角太大；曲線上部彎曲的原因沒有滿足小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于砂和砂桶的質(zhì)量．

Answer 1

分析 （1）利用光電門測速度時是利用了平均速度代替瞬時速度的原理；
（2）根據(jù)運動學(xué)公式${v}^{2}-{{v}_{0}}^{2}=2ax$，可以寫出加速度的表達(dá)式；
（3）該實驗中是通過把木板一端抬高，讓小車的重力沿斜面的分力與摩擦力平衡的方法進(jìn)行的；
（4）根據(jù)牛頓第二定律結(jié)合圖象特點即可正確解答．

解答 解：（1）由于窄片K的寬度為d很小，因此可以利用其平均速度代替物體的瞬時速度，故窄片K通過光電門1的速度表達(dá)式為：${v}_{1}=\fracay7bw72{{t}_{1}}$．
（2）窄片K通過光電門2的速度表達(dá)式：${v}_{2}=\frac9mp2blf{{t}_{2}}$．
根據(jù)運動學(xué)公式：${v}^{2}-{{v}_{0}}^{2}=2ax$有：
$a=\frac{{{v}_{2}}^{2}-{{v}_{1}}^{2}}{2L}$=$\frac{{（\fraca2hds22{{t}_{2}}）}^{2}-{（\fracfd2w2li{{t}_{1}}）}^{2}}{2L}$．
（3）在該實驗中，平衡摩擦力的思路是：抬高木板一端，讓小車的重力沿斜面分力與摩擦力平衡，當(dāng)觀察到小車勻速運動時，說明摩擦力已經(jīng)被平衡，故具體操作是：先不掛砂和砂桶，調(diào)節(jié)長木板的傾角，輕推小車讓其下滑，直至小車能勻速下滑即可．
（4）根據(jù)丙圖可知，當(dāng)沒有掛砂和砂桶時，小車產(chǎn)生了加速度，因此說明平衡摩擦力時木板傾角太大；隨著F的增大，即砂和砂桶質(zhì)量的增大，不在滿足砂和砂桶遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，因此曲線上部出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象．
故答案為：（1）$\fracvxa7mkg{{t}_{1}}$；（2）$\frac{{（\frac2dc2pll{{t}_{2}}）}^{2}-{（\fracbwc92qk{{t}_{1}}）}^{2}}{2L}$；（3）不掛砂和砂桶，調(diào)節(jié)長木板的傾角，輕推小車讓其下滑，直至兩個光電門的讀數(shù)相等為止；（4）平衡摩擦力時木板傾角太大；沒有滿足小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于砂和砂桶的質(zhì)量．

點評 對于實驗問題一定要明確實驗原理，并且親自動手實驗，熟練應(yīng)用所學(xué)基本規(guī)律解決實驗問題，注意平衡摩擦力的細(xì)節(jié)，理解a-F圖象不直的原因．