Question

【题目】某探究学习小组的同学欲以如图装置中的滑块为对象验证“动能定理”，他们在实验室组装了一套如图所示的装置，另外他们还找到了打点计时器所用的学生电源、导线、复写纸、纸带、小木块、细沙、垫块。当滑块连接上纸带，用细线通过滑轮挂上空的小沙桶时，释放小桶，滑块处于静止状态。若你是小组中的一位成员，要完成该项实验，则：

(1)你认为还需要的实验器材有_________、_________。(两个)

(2)实验时为了保证滑块（质量为M）受到的合力与沙和沙桶的总重力大小基本相等，沙和沙桶的总质量m应满足的实验条件是_________，实验时首先要做的步骤是 ________。

(3)在(2)的基础上，某同学用天平称量滑块的质量M。往沙桶中装入适量的细沙，用天平称出此时沙和沙桶的总质量m。让沙桶带动滑块加速运动，用打点计时器记录其运动情况，在打点计时器打出的纸带上取两点，测出这两点的间距L和这两点的速度大小v1与v2（v1< v2）。则对滑块，本实验最终要验证的数学表达式为___________________ （用题中的字母表示）。

(4)某同学想用该装置探究滑块与沙及沙桶组成的系统机械能是否守恒。他先调节木板一端高度，让滑块在没有沙桶索引的情况下匀速运动。然后再让沙桶带动滑块在倾斜木板上加速运动，用打点计时器记录其运动情况，现在打点计时器打出的纸带上取两点，测出这两点的间距L和这两点的速度大小v1与v2（v1< v2）。如果实验时滑块质量为M，沙及沙桶总质量为m，倾斜木板的倾角为α，则能否用此方法来验证滑块与沙及沙桶组成的系统机械能是否守恒？如果不能，请说明理由；如果能，则最终需验证的数学表达式为____________。（用题中的字母表示）

(5)现另一位同学用水平气垫导轨（摩擦可忽略）替代长木板。让沙桶带动滑块在水平气垫导轨上加速运动，用打点计时器记录其运动情况，在打点计时器打出的纸带上取两点，测出这两点的间距L和这两点的速度大小v1与v2（v1< v2）。你认为该同学方案能否探究滑块与沙及沙桶组成的系统机械能是否守恒？实验中滑块质量为M，沙及沙桶总质量为m。如果不能，请说明理由；如果能，则写出最终需验证的数学表达式____________。（用题中的字母表示）

Answer 1

【答案】刻度尺天平m<<M平衡摩擦力不能，因系统有摩擦力一直做负功

【解析】

(1)验证动能定理需要测量位移和质量，则需要刻度尺和天平．

(2)根据牛顿第二定律得整体的加速度，则绳子的拉力,只有在m<<M时，滑块(质量为M)受到的合力与沙和沙桶的总重力大小基本相等．由于存在摩擦，所以实验前先平衡摩擦力．

(3)验证合力做功与动能变化量是否相等，因为合力做功为mgL，动能变化量为,即验证熟悉表达式.

(4)虽然已经平衡了摩擦力，但用的是滑块的重力分力平衡，而摩擦力始终做负功，即系统除重力做功外还有其它力做功，故系统的机械能不守恒，不能验证系统的机械能是否守恒.

(5)在实验中，能量转化是：沙桶和沙子的损失的重力势能转化为整个系统的动能，沙桶和沙子的损失的重力势能为：mgL，整个系统增加的动能：，所以我们需要验证：.