1、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。【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)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
2、意图。实验步骤如下：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;调整轻滑轮,使细线水平;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tA和tB,求出加速度a;多次重复步骤,求a的平均值;根据上述实验数据求出动摩擦因数。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、tA和tB表示为a=。(3)动摩擦因数可用M、m、和重力加速度g表示为=。(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
3、误差”或“系统误差”)。【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=120.005cm=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=,vB=,又由速度位移公式得：(3)对遮光片、物块和重物由牛顿第二定律得：F-Mg=M ,mg-F=m ,即mg-Mg=(M+m),所以=。(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(2)(3)(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
4、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。【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,就可以算出它由G1到G2这段过程中动能的增加量Ek=,再算出重力势能的减少量Ep=mgh,比较Ek与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t1和t2。(1)滑块
5、速度v1、v2的表达式分别为v1=、v2=,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5.010-2s和2.010-2s,当地重力加速度g=9.80m/s2,则动能增加量Ek=,重力势能减少量Ep=(以上两空保留三位有效数字),由此得到的实验结论是。【规范解答】(1)由于遮光板宽度d3.0 cm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，即由导轨的倾角sin，可得hs。(2)高度差h=s=0.50 m=0.10 m。动能增加
6、量Ek=m(v22-v12)=0.473 J，重力势能减少量Ep=mgh=0.490 J；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。答案：(1)(2)0.473 J 0.490 J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
7、下表的实验数据作出s-h关系的图像。h/cm20.030.040.050.060.0s/cm19.528.539.048.056.5(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=。(结果保留一位有效数字)(4)实验中,滑轮轴的摩擦会导致的测量结果(选填“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(3)对A木块应用动能定理，有由图可知代入数据可以解得：=0.4。(4)考虑到滑轮的摩擦力做负功，实验中要克服滑
8、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=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t=1.210-2s,则滑块经过光电门时的瞬时速度为m/s。在本次实验中还需要测量的物理量有：钩码的质量m、和(文字说明并用相应的字母表示)。(3)本实
9、验通过比较和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。【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+20.1mm=5.2mm=0.52cm;滑块经过光电门时的瞬时速度为v=0.43m/s;根据机械能守恒定律,应该满足mgs=(m+M)()2,所以本次实验中还需要测量的物理量有：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)()2在实验误差允许的范围内相等,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)0.520.43 滑块上的遮光条初始位置到光电门的距离s 滑块的质量M(3)mgs(m+M)()2
