Question

某探究学习小组的同学欲以下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

某探究学习小组的同学欲以下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、天平．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______．（2）实验时为了保证滑块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）如果实验时所用滑块质量为M，沙及沙桶总质量为m，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）．要探究滑块与沙及沙桶组成的系统机械能是否守恒，则最终需验证的数学表达式为______（用题中的字母表示）．

Answer 1

（1）实验要验证动能增加量和总功是否相等，故需要求出总功和动能，需要刻度尺测量出沙桶下降的高度即纸带前进的距离；
故答案为：刻度尺；
（2）沙和沙桶加速下滑，处于失重状态，其对细线的拉力小于重力，设拉力为T，根据牛顿第二定律，有
对沙和沙桶，有 mg-T=ma
对小车，有 T=Ma
解得T=

M

M+m

mg
故当M＞＞m时，有T≈mg
小车下滑时受到重力、细线的拉力、支持力和摩擦力，要使拉力等于合力，则应该用重力的下滑分量来平衡摩擦力，故可以将长木板的一段垫高；
故答案为：沙和沙桶的总质量远小于滑块的质量，平衡摩擦力；
（3）对滑块，本实验认为绳子对滑块的拉力为等于滑块所受的合外力，故合外力做的功为：mgL，滑动的动能增加量为：

1

2

Mv₂²-

1

2

Mv₁²
需要验证：mgL＝

1

2

M

v

2 2

?

1

2

M

v

2 1

．
故答案为：mgL＝

1

2

M

v

2 2

?

1

2

M

v

2 1

（4）对系统而言，总功为：mgL，系统增加的动能为：

1

2

（M+m）（v₂²-v₁²）
故答案为：mgL＝

1

2

(M+m)(

v

2 2

?

v

2 1

)．