Question

8．某探究学习小组的同学要验证“牛顿第二定律”，他们在实验室组装了一套如图甲所示的装置，水平轨道上安装两个光电门，小车上固定有力传感器和档光片，细线一端与力传感器连接，另一端跨过定滑轮挂上砝码盘．实验时，调整轨道的倾角正好能平衡小车所受的摩擦力，传感器示数为传感器右端细线对它的拉力．（图中未画出）

（1）该实验中小车所受的合力等于（填“等于”或“不等于”）力传感器（质量不计）的示数，该实验不需要（填“需要”或“不需要”）满足砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量．
（2）实验需用游标卡尺测量挡光片的宽度d，如图乙所示，d=7.35mm．若实验中没有现成的挡光片，某同学用一宽度为7cm的金属片替代，这种做法不合理（填“合理”或“不合理”）．
（3）实验获得以下测量数据：小车和挡光片的总质量M，挡光片的宽度d，光电门1和2的中心距离s．某次实验过程测量的数据：力传感器的读数为F，小车通过光电门1和2的挡光时间分别为t₁、t₂（小车通过广电门2后，砝码盘才落地），则该实验要验证的式子是Fs=$\frac{1}{2}M{（\frac{d}{{t}_{2}}）}^{2}-\frac{1}{2}M{（\frac{d}{{t}_{1}}）}^{2}$．

Answer 1

分析 （1）小车所受的合力可以由力传感器测出，不需要满足小车质量远大于砝码质量．
（2）游标卡尺主尺与游标尺示数之和是游标卡尺的示数；挡光片的宽度应尽可能小，如果挡光片宽度过大，不能用挡光片的宽度与遮光时间的比值作为小车的速度．
（3）光电门测速度的原理是用平均速度来代替瞬时速度，根据功能关系可以求出需要验证的关系式．

解答 解：（1）由于装有力传感器，小车所受拉力大小可以从传感器读取，故本实验不需要满足砝码和盘总质量远小于小车总质量，且由于实验前已经通过倾斜滑板平衡摩擦力，故小车所受到的合力等于传感器受到的拉力．
（2）由图示游标卡尺可知，挡光板的宽度：d=7mm+0.05×7mm=7.35mm．实验时把小车经过挡光片时的平均速度作为小车的瞬时速度，挡光片的宽度越窄，小车经过挡光片时的平均速度越接近小车的瞬时速度，挡光片的宽度越大，小车的速度误差越大，不能用7cm的金属片替代挡光片．
（3）由于光电门的宽度d很小，所以我们用很短时间内的平均速度代替瞬时速度．
滑块通过光电门1速度为：${v}_{1}=\frac{d}{{t}_{1}}$
滑块通过光电门2速度为：${v}_{2}=\frac{d}{{t}_{2}}$
滑块做匀变速直线运动，则v₂²-v₁²=2as，
则加速度a=$\frac{{{v}_{2}}^{2}-{{v}_{1}}^{2}}{2s}$，
根据功能关系需要验证的关系式为：Fs=$\frac{1}{2}M{{v}_{2}}^{2}-\frac{1}{2}M{{v}_{1}}^{2}$=$\frac{1}{2}M{（\frac{d}{{t}_{2}}）}^{2}-\frac{1}{2}M{（\frac{d}{{t}_{1}}）}^{2}$
故答案为：（1）等于；不需要；（2）7.35；不合理；（3）Fs=$\frac{1}{2}M{（\frac{d}{{t}_{2}}）}^{2}-\frac{1}{2}M{（\frac{d}{{t}_{1}}）}^{2}$

点评 了解光电门测量瞬时速度的原理，实验中我们要清楚研究对象和研究过程，对于系统我们要考虑全面，同时明确实验原理是解答实验问题的前提．