Question

5．某探究性學(xué)習(xí)小組想根據(jù)牛頓第二定律求小車的質(zhì)量，設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，裝置使用頻率為50Hz的交流電源．

（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)他們先調(diào)整墊木的位置，使小車不掛配重時(shí)能在傾斜的長木板上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，這樣做的目的是為了平衡小車運(yùn)動(dòng)過程中所受摩擦力．
（2）根據(jù)多條紙帶的數(shù)據(jù)，繪制了小車的加速度與小車所受拉力（測量出配重的重力作為小車所受拉力大�。┑腶-F圖象，如圖2所示．由圖象可知小車的質(zhì)量為2kg．
（3）測出小車的質(zhì)量后，繼續(xù)用該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究；他們撤掉通過定滑輪懸掛的配重片，用手推動(dòng)小車，然后放手讓小車運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，再在小車上輕放一物塊，得到如圖3所示的一條紙帶，則所放物塊的質(zhì)量為0.5kg．

Answer 1

分析 （1）注意平衡摩擦力的原理，利用重力沿斜面的分力來平衡摩擦力，若物體能勻速運(yùn)動(dòng)則說明恰好平衡了摩擦力；
（2）圖象斜率的倒數(shù)等于小車的質(zhì)量；
（3）小車和物塊組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒；分析紙帶數(shù)據(jù)，AB段是用手推小車打出的點(diǎn)，BC段是放手后小車勻速運(yùn)動(dòng)打出的點(diǎn)，CD段是小車上放上物塊時(shí)，由于之間有摩擦力，小車做減速運(yùn)動(dòng)，物塊加速，DE段代表物塊和小車達(dá)到共同速度

解答 解：（1）為了克服摩擦力的影響，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)墊高一側(cè)，從而使重力的分力與摩擦力相互平衡；從而使小車受到的拉力為合外力；
（2）由牛頓第二定律得：a=$\frac{1}{M}$F，a-F圖象的斜率：k=$\frac{1}{M}$=$\frac{0.20}{0.40}=\frac{1}{2}$，解得：M=2kg；
（3）設(shè)所放物塊的質(zhì)量m
${v}_{BC}^{\;}=\frac{{x}_{BC}^{\;}}{5T}=\frac{10.50×1{0}_{\;}^{-2}}{5×0.02}m/s=1.05m/s$
${v}_{DE}^{\;}=\frac{{x}_{DE}^{\;}}{5T}=\frac{8.40×1{0}_{\;}^{-2}}{5×0.02}m/s=0.84m/s$
根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)量守恒，有
$M{v}_{BC}^{\;}=（M+m）{v}_{DE}^{\;}$
2×1.05=（2+m）×0.84
解得：m=0.5kg
故答案為：（1）為了平衡小車運(yùn)動(dòng)過程中所受摩擦力      （2）2        （3）0.5

點(diǎn)評(píng) 在“驗(yàn)證牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)用控制變量法，本實(shí)驗(yàn)只有在滿足平衡摩擦力和小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼質(zhì)量的雙重條件下，才能用鉤碼重力代替小車所受的合力，同時(shí)加強(qiáng)基礎(chǔ)物理知識(shí)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，加強(qiáng)解決實(shí)驗(yàn)問題的能力．本題第三問很有創(chuàng)新，綜合性強(qiáng)，有一定難度．