“板块装置”在实验中的应用

cm;
实验时将滑块从图示位置由静止释放,由数字计时器读出遮光 条通过光电门的时间Δ t=1.2×10-2s,则滑块经过光电门时的 瞬时速度为 理量有:钩码的质量m、 用相应的字母表示)。 m/s。在本次实验中还需要测量的物 和 (文字说明并
(3)本实验通过比较和源自在实验误差允许的范围内相等(用测量的物理量符号表示),从而验证了系 统的机械能守恒。
【热点透析】 一、“板块装置”在验证牛顿运动定律创新实验中的应用—— 测定动摩擦因数 利用“板块装置”,当滑块在长木板上做匀变速直线运动时,若 能测出滑块的加速度,则根据牛顿第二定律就可求出动摩擦因 数。
【例证1】(2013·新课标全国卷Ⅰ)图甲为测量物块与水平桌
面之间动摩擦因数的实验装置示意图。实验步骤如下:
【例证2】利用气垫导轨装置验证机械能守恒定律时,先把导轨 调成水平,然后按如图所示的方式,用垫块把导轨一端垫高H,质 量为m的滑块上安装宽度d=3.0cm的遮光板。使滑块由轨道上端 任一处滑下,测出它通过光电门G1和G2时的速度v1和v2,就可以
2 算出它由G1到G2这段过程中动能的增加量Δ Ek= 1 m(v 2 ,再 － v 2 1)
(3)对遮光片、物块和重物由牛顿第二定律得: F-μMg=M a,mg-F=m a ,即 mg-μMg=(M+m) a ,所以μ=
mg－ M m a Mg
。
(4)如果细线没有调整到水平,由此引起的误差是实验原理不完 善引起的系统误差。 答案:(1)0.960
Mg
(2)
(3) mg－ M m a
回答下列问题: (1)测量d时,某次游标卡尺(主尺的最小分度为1mm)的示数如图 乙所示,其读数为 cm。
(2)物块的加速度a可用d、s、Δ tA和Δ tB表示为a= (3)动摩擦因数μ 可用M、m、 a 和重力加速度g表示为 μ= 。
。
(4)如果细线没有调整到水平,由此引起的误差属于 (选填“偶然误差”或“系统误差”)。
(3)实验测得A、B的质量分别为m=0.40kg、M=0.50kg。
根据s -h图像可计算出A木块与桌面间的动摩擦因数
μ=
。(结果保留一位有效数字)
(选填
(4)实验中,滑轮轴的摩擦会导致μ 的测量结果
“偏大”或“偏小”)。
【解析】(1)为使A不撞到滑轮,应设法减小B落地瞬间A的速度, 因而可以减小B的质量;增加细线的长度或增大A的质量;降低B 的起始高度。 (2)如图
L s L
t1
t 2
2 d 3.0 10 (2)v1= = m/s=0.60m/s, 2 t1 5.0 10 d 3.0 102 v 2= = m/s=1.50m/s, 2 t 2 2.0 10 0.20 高度差h= H s= ×0.50m=0.10m。 1.0 L 2 =0.473J, 动能增加量ΔEk= 1 m v 2 － v 2 1 2
(以上两空保留三位有效数字),由此得到的实验 。
【规范解答】 (1)由于遮光板宽度d=3.0cm很小,而滑块通过光 电门的时间极短,故可以认为滑块通过两光电门时的平均速度 就等于通过G1和G2两位置的瞬时速度,即v1= d ,v2= d ;由导轨 的倾角sinα= H = h ,可得h= H s。
d 2 ) ,所以本次实验中还需要测量的物理量 t
有:钩码的质量m、滑块上的遮光条初始位置到光电门的距离 s 和滑块的质量M。
(3)通过比较mgs和 (m＋M)(
1 2
d 2 ) 在实验误差允许的范围内相等, t
从而验证了系统的机械能守恒。 答案: (1)接通气源,将滑块静置于气垫导轨上,若滑块基本保 持静止,则说明导轨是水平的(或轻推滑块,滑块能基本做匀速 直线运动) (2)0.52 0.43 滑块上的遮光条初始位置到光电
①用天平测量物块和遮光片的总质量M、重物的质量m;用游标 卡尺测量遮光片的宽度d;用米尺测量两光电门之间的距离s; ②调整轻滑轮,使细线水平; ③让物块从光电门A的左侧由静止释放,用数字毫秒计分别测出 遮光片经过光电门A和光电门B所用的时间Δ tA和Δ tB,求出加 速度a; ④多次重复步骤③,求a的平均值 a ; ⑤根据上述实验数据求出动摩擦因数μ 。
【规范解答】 (1)20分度游标卡尺的精确度为0.05mm,主尺读 数0.9cm,游标尺读数=12×0.005cm=0.060cm,所以游标卡尺的 读数为0.960cm。 (2)遮光片经过光电门A和B的平均速度分别表示A、B位置的瞬 时速度,vA= d ,vB= d ,又由速度位移公式得:
t B t A 2 2 v － v d 2 d 2 。 a= B A 1 ( ) － ( ) 2s 2s t B t A
1 d (m＋M)( ) 2 2 t
门的距离s 滑块的质量M (3)mgs
重力势能减少量ΔEp=mgh=0.490J; 实验结论为在误差允许范围内,滑块下滑过程中机械能守恒。
d 答案:(1) t1 d t 2
H s L
(2)0.473J
0.490J
在误差允许范
围内,滑块下滑过程中机械能守恒
【热点集训】
1.(2012·江苏高考)为测定木块与桌面之间的动摩擦因数,小
亮设计了如图所示的装置进行实验。实验中,当木块A位于水平
桌面上的O点时,重物B刚好接触地面。将A拉到P点,待B稳定后
由静止释放,A最终滑到Q点。分别测量OP、OQ的长度h和s。改
变h,重复上述实验,分别记录几组实验数据。
(1)实验开始时,发现A释放后会撞到滑轮。请提出两个解决方 法。 (2)请根据下表的实验数据作出s-h关系的图像。 h/cm s/cm 20.0 19.5 30.0 28.5 40.0 39.0 50.0 48.0 60.0 56.5
(3)对A木块应用动能定理,有
m h （Mg mg） h mgs,(M m) s Mm Mm
h s
M m , h s M m ,
M m M m
M m s 由图可知 k 1 h Mm
代入数据可以解得:μ=0.4。
(4)考虑到滑轮的摩擦力做负功,实验中要克服滑轮的摩擦力做 功,造成实验结果偏大。 答案: (1)减小B的质量;增加细线的长度(或增大A的质量;降低 B的起始高度) (2)见解析图 (3)0.4 (4)偏大
【解析】(1)接通气源,将滑块静置于气垫导轨上,若滑块基本 保持静止,则说明导轨是水平的(或轻推滑块,滑块能基本做匀 速直线运动)。(2)d=5mm+2×0.1mm=5.2mm=0.52cm;滑块经过光 电门时的瞬时速度为v= 该满足mgs= (m＋M)(
1 2 d =0.43m/s;根据机械能守恒定律,应 t
2
算出重力势能的减少量Δ Ep=mgh,比较Δ Ek与Δ Ep的大小,便可 验证机械能是否守恒。图中H、L、s均已事先设定,滑块通过两 个光电门所用时间分别为Δ t1和Δ t2。
(1)滑块速度v1、v2的表达式分别为v1=
v 2=
、
。
,滑块通过G1、G2时的高度差h的表达式h=
(2)若测得图中L=1.0m,s=0.50m,H=20cm,m=500g,滑块通过G1 和G2的时间分别为5.0×10-2s和2.0×10-2s,当地重力加速度 g=9.80m/s2,则动能增加量Δ Ek= Δ E p= 结论是 ,重力势能减少量
1 d 2 d 2 [( ) －( ) ] 2s t B t A
(4)系统误差
二、“板块装置”在验证机械能守恒定律实验中的应用 利用“板块装置”验证机械能守恒定律是对实验或常见练习题 进行器材和装置的改换而成的,解决此类问题的思路是从机械 能守恒的方程出发,按照实验题目的要求,进行实验的设计或有 关量的测量。
热点专题突破系列(二) “板块装置”在实验中的应用
【热点概述】 由一个长木板和一个滑块(或小车)组成的“板块装置”在 力学实验中应用十分广泛,“板块装置”所涉及的实验主要有 研究匀变速直线运动、验证牛顿运动定律、探究动能定理、验 证机械能守恒定律。“板块装置”在验证牛顿运动定律、验证 机械能守恒定律实验及其创新实验中的应用是高考的热点。
2.(2014·漳州模拟)某实验小组利用如图甲所示的实验装置来 验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒。
(1)实验前需要调整气垫导轨底座使之水平,利用现有器材如何 判断导轨是否水平? __________________________________________________
(2)如图乙所示,用游标卡尺测得遮光条的宽度d=