Question

1．物理小组在一次探究活动中测量滑块与木板之间的动摩擦因数．实验装置如图甲，一表面粗糙的木板固定在水平桌面上，一端装有定滑轮；木板上有一滑块，其一端与电磁打点计时器的纸带相连，另一端通过跨过定滑轮的细线与托盘连接．打点计时器使用的交流电源的频率为50Hz．开始实验时，在托盘中放入适量砝码，滑块开始做匀加速运动，在纸带上打出一系列小点．

（1）图乙给出的是实验中获取的一条纸带的一部分，0、1、2、3、4、5、6、7是计数点，每相邻两计数点间还有4个打点（图中未标出），计数点间的距离如图乙所示．根据图中数据计算滑块的加速度a=0.496m/s²，打第4个计数点时滑块的速度v₄=0.314m/s．（保留三位有效数字）；
（2）回答下列两个问题：
①为测量动摩擦因数，下列物理量中还应测量的有CD；（填入所选物理量前的字母）
A．木板的长度L；B．木板的质量m₁；C．滑块的质量m₂；D．托盘和砝码的总质量m₃；E．滑块运动的时间t．
②测量①中所选定的物理量时需要的实验器材是天平；
（3）实验中考虑到托盘和砝码的总质量m₃远大于滑块的质量m₂的条件下，滑块与木板间的动摩擦因数μ=$\frac{{m}_{3}g-（{m}_{3}+{m}_{2}）a}{{m}_{2}g}$（用被测物理量的字母表示，重力加速度为g，实验过程始终保持m₂＞m₃）．与真实值相比，测量的动摩擦因数偏大（填“偏大”或“偏小”），写出支持你的看法的一个论据：没有考虑打点计时器给纸带的阻力、细线和滑轮间、以及空气等阻力，因此导致摩擦因数的测量值偏大．．

Answer 1

分析 （1）利用逐差法△x=aT²可以求出物体的加速度大小，根据匀变速直线运动中某点的瞬时速度等于该过程中的平均速度大小可以求出某点的瞬时速度大小；
（2）根据牛顿第二定律有=ma，由此可知需要测量的物理量．
（3）根据牛顿第二定律的表达式，可以求出摩擦系数的表达式．由于木块滑动过程中受到空气阻力，因此会导致测量的动摩擦因数偏大．

解答 解：（1）每相邻两计数点间还有4个打点，说明相邻的计数点时间间隔为0.1s．将第一段位移舍掉，设1、2两计数点之间的距离为x₁，则第6、7之间的距离为x₆，利用匀变速直线运动的推论△x=at²，即逐差法可以求物体的加速度大小：a=$\frac{{a}_{1}+{a}_{2}+{a}_{3}}{3}$=$\frac{（{x}_{4}+{x}_{5}+{x}_{6}）-（{x}_{3}+{x}_{2}+{x}_{1}）}{9{T}^{2}}$
将数据带入得：a=0.496m/s²．
打第4个计数点时滑块的速度v₄=$\frac{{x}_{5}+{x}_{4}}{2T}$=$\frac{（2.88+3.39）×1{0}^{-2}}{2×0.1}$=0.314m/s
（2）①以系统为研究对象，由牛顿第二定律得：
m₃g-f=（m₂+m₃）a，
滑动摩擦力：f=m₂gμ，
解得：$μ=\frac{{m}_{3}g-（{m}_{3}+{m}_{2}）a}{{m}_{2}g}$，要测动摩擦因数μ，
需要测出：滑块的质量m₂与托盘和砝码的总质量m₃，故选CD；
②测物体的质量需要的实验器材是：天平．
（3）由（2）可知，动摩擦因数的表达式为：$μ=\frac{{m}_{3}g-（{m}_{3}+{m}_{2}）a}{{m}_{2}g}$，
由牛顿第二定律列方程的过程中，考虑了木块和木板之间的摩擦，
但没有考虑打点计时器给纸带的阻力、细线和滑轮间、以及空气等阻力，因此导致摩擦因数的测量值偏大．
故答案为：（1）0.495-0.498范围内都对，0.314（2）CD 天平（3）$\frac{{m}_{3}g-（{m}_{3}+{m}_{2}）a}{{m}_{2}g}$，偏大，没有考虑打点计时器给纸带的阻力、细线和滑轮间、以及空气等阻力，因此导致摩擦因数的测量值偏大．

点评 解决实验问题首先要掌握该实验原理，了解实验的操作步骤和数据处理以及注意事项，同时要熟练应用所学基本规律解决实验问题．