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為了測定氣墊導軌上滑塊的加速度，滑塊上安裝了寬度為3.0 cm的遮光板，如圖1－1－4所示，滑塊在牽引力作用下先后勻加速通過兩個光電門，配套的數字毫秒計記錄了遮光板通過第一個光電門的時間為Δt₁＝0.30 s，通過第二個光電門的時間為Δt₂＝0.10 s，遮光板從開始遮住第一個光電門到開始遮住第二個光電門的時間為Δt＝3.0 s。試估算：

圖1－1－4

(1)滑塊的加速度多大？

(2)兩個光電門之間的距離是多少？

解析：(1)遮光板通過第一個光電門的速度

v₁＝＝ m/s＝0.10 m/s

遮光板通過第二個光電門的速度

v₂＝＝m/s＝0.30 m/s

故滑塊的加速度a＝≈0.067 m/s²。

(2)兩個光電門之間的距離x＝Δt＝0.6 m。

答案：(1)0.067 m/s²　(2)0.6 m

解析　(1)整個裝置沿斜面向上做勻速運動時，即整個系統處于平衡狀態，

則研究A物體：f＝m_Agsin θ＝2 N，

研究整體：F＝(m_A＋m_B)gsin θ＋μ₂(m_A＋m_B)gcos θ＝21 N.

(2)整個裝置沿斜面向上做勻加速運動，且A、B恰好沒有相對滑動，則說明此時A、B之間恰好達到最大靜摩擦力，

研究A物體：

f_max＝f_滑＝μ₁m_Agcos θ＝2.4 N，

f_max－m_Agsin θ＝m_Aa，

解得a＝1 m/s²，

研究整體：F－(m_A＋m_B)gsin θ－μ₂(m_A＋m_B)gcos θ＝(m_A＋m_B)a，

解得F＝23.4 N.

答案　(1)2 N　21 N　(2)2.4 N　23.4 N

解析　(1)如圖所示，畫出通過P₁、P₂的入射光線，交AC面于O，畫出通過P₃、P₄的出射光線交AB面于O′.則光線OO′就是入射光線P₁P₂在三棱鏡中的折射光線．

(2)在所畫的圖上注明入射角θ₁和折射角θ₂，并畫出虛線部分，用量角器量出θ₁和θ₂(或用直尺測出線段EF、OE、GH、OG的長度)．

(3)n＝；(或因為sin θ₁＝，sin θ₂＝，

則n＝＝)．

答案　見解析

 

解析　(1)設木板第一次上升過程中，物塊的加速度為a_物塊，由牛頓第二定律kmgsin θ－mgsin θ＝ma_物塊

解得a_物塊＝(k－1)gsin θ，方向沿斜面向上

(2)設以地面為零勢能面，木板第一次與擋板碰撞時的速度大小為v₁

由機械能守恒得：×2mv＝2mgH

解得v₁＝

設木板彈起后的加速度為a_板，由牛頓第二定律得：

a_板＝－(k＋1)gsin θ

木板第一次彈起的最大路程s₁＝＝

木板運動的路程s＝＋2s₁＝

(3)設物塊相對木板滑動距離為L

根據能量守恒mgH＋mg(H＋Lsin θ)＝kmgLsin θ

摩擦力對木板及物塊做的總功W＝－kmgLsin θ

解得W＝－

答案　(1)(k－1)gsin θ；方向沿斜面向上

(2)　(3)－

解析　(1)小球從曲面上滑下，只有重力做功，由機械能守恒定律知：

mgh＝mv                                                       ①

得v₀＝＝ m/s＝2 m/s.

(2)小球離開平臺后做平拋運動，小球正好落在木板的末端，則

H＝gt²                                                                                                                                                      ②

＝v₁t                                                                                                                ③

聯立②③兩式得：v₁＝4 m/s

設釋放小球的高度為h₁，則由mgh₁＝mv

得h₁＝＝0.8 m.

(3)由機械能守恒定律可得：mgh＝mv²

小球由離開平臺后做平拋運動，可看做水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動，則：

y＝gt²                                                                                                                                                       ④

x＝vt                                                                                                                       ⑤

tan 37°＝                                                                                                          ⑥

v_y＝gt                                                                                                                      ⑦

v＝v²＋v                                                       ⑧

E_k＝mv                                                      ⑨

由④⑤⑥⑦⑧⑨式得：E_k＝32.5h                                                                       ⑩

考慮到當h>0.8 m時小球不會落到斜面上，其圖象如圖所示

答案　(1)2 m/s　(2)0.8 m　(3)E_k＝32.5h　圖象見解析