Question

10．在利用重锤下落验证机械能守恒定律的实验中：
（1）下面叙述正确的是B
A、应该用天平称出物体的质量．
B、应该选用点迹清晰，第一、二两点间的距离接近2mm的纸带．
C、操作时应先放纸带再通电．
D、电磁打点计时器应接在电压为220V的直流电源上．
（2）如图2是实验中得到的一条纸带．已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，当地的重力加速度 g=9.80m/s²，测得所用重物的质量为1.00kg，纸带上第0、1两点间距离接近2mm，A、B、C、D是连续打出的四个点，它们到0点的距离如图所示．则由图中数据可知，打点计时器打下计数点C时，物体的速度V_C=3.90m/s；重物由0点运动到C点的过程中，重力势能的减少量等于7.62J，动能的增加量等于7.61J（取三位有效数字）．
（3）实验结果发现动能增量总小于（选填“大于”、“等于”或“小于”）重力势能的减少量；造成这种现象的主要原因是C
A．选用的重锤质量过大
B．数据处理时出现计算错误
C．空气对重锤的阻力和打点计时器对纸带的阻力
D．实验时操作不够细，实验数据测量不准确

Answer 1

分析 （1）解决实验问题首先要掌握该实验原理，了解实验的仪器、操作步骤和数据处理以及注意事项．
（2）纸带法实验中，若纸带匀变速直线运动，测得纸带上的点间距，利用匀变速直线运动的推论，可计算出打出某点时纸带运动的瞬时速度，从而求出动能；
（3）重物下落过程中不可避免的受到阻力作用，重力势能不可能全部转化为动能，这是误差的主要来源．

解答 解：（1）A、因为我们是比较mgh、$\frac{1}{2}$mv²的大小关系，故m可约去比较，不需要用天平，故A错误；
B、在选择纸带时，要求点迹清晰，根据自由落体运动公式，h=$\frac{1}{2}$gt²可知，若开始一、二两点间的距离为2mm，则所打第一个点时的速度为零，这样只需比较mgh、$\frac{1}{2}$mv²的大小关系即可，实验方便，故B正确；
C、开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后再释放重锤，让它带着纸带一同落下，如果先放开纸带让重物下落，再接通打点计时时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差，故C错误；
D、电磁打点计时器的工作电源是4～6V的交流电源，故D错误．
（2）利用匀变速直线运动的推论：BD之间的平均速度等于C点的瞬时速度，得：
v_C=$\frac{{x}_{BD}}{2T}$=$\frac{0.8578-0.7018}{2×0.02}$=3.90m/s
从打下计数点O到打下计数点C的过程中，重锤重力势能减小量△E_P=mgh=mgx_C=1×9.8×0.7776J=7.62J
动能的增加量：△E_K=$\frac{1}{2}$mv_C²=7.61J
动能增量小于重力势能的减少量的原因主要是重物下落时受到空气阻力和打点针与纸带间的阻力作用，一部分重力势能转化为内能．
（3）在该实验中，由于摩擦力、空气阻力等阻力的存在，重锤动能的增加量总是稍稍小于减小的重力势能；若重锤动能的增加量总是小于重锤减小的重力势能，而且比较明显，就要考虑阻力太大的原因．在该实验过程的步骤中，没有检查打点计时器的两个限位孔是否在同一条竖直线上，也会导致摩擦力太大；故C正确，ABD错误．
故选：C．
故答案为：（1）B； （2）3.90，7.62，7.61；  （3）小于，C．

点评 正确解答实验问题的前提是明确实验原理，从实验原理出发进行分析所需实验器材、所测数据、误差分析等，会起到事半功倍的效果；并运用运动学公式和动能、重力势能的定义式解决问题是该实验的常规问题．