Question

為了驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，某同學(xué)使用如圖所示的氣墊導(dǎo)軌裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．其中G₁、G₂為兩個(gè)光電門，它們與數(shù)字計(jì)時(shí)器相連，當(dāng)滑行器M通過(guò)G₁、G₂光電門時(shí)，光束被滑行器M上的擋光片遮擋的時(shí)間△t₁、△t₂都可以被測(cè)量并記錄，滑行器連同擋光片的總質(zhì)量為M，擋光片寬度為D，兩光電門中心間的距離為x，牽引砝碼的質(zhì)量為m，細(xì)繩不可伸長(zhǎng)且其質(zhì)量可以忽略，重力加速度為g．該同學(xué)想在水平的氣墊導(dǎo)軌上，只利用以上儀器，在滑行器通過(guò)G₁、G₂光電門的過(guò)程中驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，請(qǐng)回答下列問(wèn)題．
（1）實(shí)驗(yàn)開始應(yīng)先調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌下面的螺母，使氣墊導(dǎo)軌水平．請(qǐng)?jiān)谝韵驴瞻滋幪顚憣?shí)驗(yàn)要求；
在不增加其他測(cè)量器材的情況下，調(diào)水平的步驟是：取下牽引砝碼m，接通氣墊導(dǎo)軌裝置的電源，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌下面的螺母，若滑行器M放在氣墊導(dǎo)軌上的任意位置都能保持靜止，或者輕推滑行器M分別通過(guò)光電門G₁、G₂的時(shí)間______，則導(dǎo)軌水平．
（2）當(dāng)氣墊導(dǎo)軌調(diào)水平后，在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)操作中，以下操作合理的是______；
A．擋光片的寬度D應(yīng)盡可能選較小的
B．選用的牽引砝碼的質(zhì)量m應(yīng)遠(yuǎn)小于滑行器的總質(zhì)量M
C．為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，光電門G₁、G₂的間距x應(yīng)該盡可能大一些
D．用來(lái)牽引滑行器M的細(xì)繩可以與導(dǎo)軌不平行
（3）在每次實(shí)驗(yàn)中，若表達(dá)式______；用M、g、m、△t₁、△t₂、D、x表示）在誤差允許的范圍內(nèi)成立，則機(jī)械能守恒定律成立．

Answer 1

（1）實(shí)驗(yàn)開始應(yīng)先調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌下面的螺釘，在不掛重物的情況下輕推滑塊，若滑塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)，滑塊通過(guò)光電門速度相等，則光電門的擋光時(shí)間相等，證明氣墊導(dǎo)軌已經(jīng)水平．
（2）A、滑塊經(jīng)過(guò)光電門時(shí)的瞬時(shí)速度用平均速度來(lái)代替，由v=

D

△t

求出，D越小，誤差越小，故A正確．
B、本實(shí)驗(yàn)不需要測(cè)量細(xì)繩對(duì)滑行器的拉力，即不需要用砝碼的質(zhì)量代替細(xì)繩的拉力，所以不需要滿足砝碼的質(zhì)量m應(yīng)遠(yuǎn)小于滑行器的總質(zhì)量M這個(gè)條件，故B錯(cuò)誤．
C、光電門G₁、G₂的間距x越大，x相對(duì)誤差越小，故C正確．
D、用來(lái)牽引滑行器M的細(xì)繩必須與導(dǎo)軌平行，以減小阻力，保持滿足實(shí)驗(yàn)阻力足夠小的條件，故D錯(cuò)誤．
故選：AC．
（3）滑行器經(jīng)過(guò)光電門G₁、G₂的速度近似等于滑塊經(jīng)過(guò)光電門時(shí)的平均速度，分別為：
v₁=

D

△t1

，v₂=

D

△t2

砝碼的重力勢(shì)能減少量為：△E_p=mgx；砝碼及滑行器（連同擋光片）的動(dòng)能增加量相等為：△E_k=

1

2

(M+m)

v

22

-

1

2

(M+m)

v

21

若表達(dá)式△E_p=△E_k，即得：mgx=

1

2

(M+m)(

D

△t2

)2-

1

2

(M+m)(

D

△t1

)2，在誤差允許的范圍內(nèi)成立，則機(jī)械能守恒定律成立．
故答案為：
（1）相等；
（2）AC；
（3）mgx=

1

2

(M+m)(

D

△t2

)2-

1

2

(M+m)(

D

△t1

)2．