Question

19．用如图1所示的实验装置验证机械能守恒定律．实验所用的电源为学生电源，输出电压为6V的交流电和直流电两种．重锤从高处由静止开始落下，重锤上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即可验证机械能守恒定律．

（1）下面列举了该实验的几个操作步骤：
A．按照图示的装置安装器件；
B．将打点计时器接到电源的直流输出端上；
C．用天平测量出重锤的质量；
D．释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸带；
E．测量打出的纸带上某些点之间的距离；
F．根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能在误差范围内是否等于增加的动能．
指出其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤，将其选项对应的字母填在右边的横线上BCD
（2）实验中得到一条纸带，如图2所示．根据打出的纸带，选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E，测出A点距起始点O的距离为s₀，点A、C间的距离为s₁，点C、E间的距离为s₂，使用交流电的周期为T，设重锤质量为m，则ABC．
A．打点计时器打C点时重锤的动能为$\frac{m（{s}_{1}+{s}_{2}）^{2}}{32{T}^{2}}$
B．打点计时器在打O点和C点的这段时间内重锤的重力势能的减少量为mg（s₀+s₁）
C．重锤下落的加速度a的表达式为$\frac{{s}_{2}-{s}_{1}}{4{T}^{2}}$
D．重锤下落的加速度a的表达式为$\frac{{s}_{1}-{s}_{0}}{4{T}^{2}}$
（3）在本实验中发现，重锤减少的重力势能总是大于（填“大于”或“小于”）重锤增加的动能，其原因主要是因为在重锤下落过程中存在着阻力的作用，可以通过该实验装置测定该阻力的大小，试用（2）中已知物理量和纸带上的测量数据写出重锤在下落的过程中受到的平均阻力表达式为f=mg-m$\frac{{s}_{2}-{s}_{1}}{4{T}^{2}}$．

Answer 1

分析 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，只有理解了这些才能真正了解具体实验操作的含义．
本实验需要验证的是重力势能的减小量和动能的增加量是否相等，根据下落的高度求出重力势能的减小量，根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度求出瞬时速度的大小，从而求出动能的增加量．

解答 解：（1）B：将打点计时器接到电源的“交流输出”上，故B错误．
C：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C没有必要
D：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D错误．
故选：BCD．
（2）A、匀变速直线运动中，时间中点的速度大小等于该过程中的平均速度大小，因此有：
v_C=$\frac{{{S}_{1}+S}_{2}}{4T}$，
打点计时器打C点时重锤的动能为E_kC=$\frac{1}{2}$m${v}_{C}^{2}$=$\frac{m（{s}_{1}+{s}_{2}）^{2}}{32{T}^{2}}$，故A正确；
B、打点计时器在打O点和C点的这段时间内重锤的重力势能的减少量为mg（s₀+s₁）．故B正确；
C、根据匀变速直线运动的推论公式△x=aT²可以求出加速度的大小，
得：重锤下落的加速度a的表达式为a=$\frac{{s}_{2}-{s}_{1}}{4{T}^{2}}$．故C正确；
D、由于OA的时间间隔不是2T，所以重锤下落的加速度a的表达式不等于$\frac{{s}_{1}-{s}_{0}}{4{T}^{2}}$，故D错误；
故选：ABC．
（3）在本实验中发现，重锤减少的重力势能总是大于重锤增加的动能，其原因主要是因为在重锤下落过程中存在着阻力的作用
重锤下落过程中，受到重力和阻力作用，根据牛顿第二定律得：mg-F=ma 
重锤在下落过程中受到的平均阻力的大小F=m（g-a）=mg-m$\frac{{s}_{2}-{s}_{1}}{4{T}^{2}}$，
故答案为：（1）BCD
（2）ABC
（3）大于；mg-m$\frac{{s}_{2}-{s}_{1}}{4{T}^{2}}$

点评 只有明确了实验原理以及实验的数据测量，才能明确各项实验操作的具体含义，要熟练应用物理基本规律，因此这点在平时训练中要重点加强．