Question

18．如图1为验证机械能守恒定律的实验装置示意图．

（1）为完成此实验，除了图中所示器材，还需要的器材有AD
A．刻度尺     B．秒表    C．天平    D．交流电源
（2）实验中使用的电源频率是50Hz，则纸带上打出的相邻两点的时间间隔为0.02s．
（3）实验时，应使打点计时器的两个限位孔在同一竖直线上，这样做可以减小（选填“消除”、“减小”或“增大”）纸带与限位孔之间的摩擦．
（4）在实际测量中，重物减少的重力势能通常会略大于（选填“略大于”、“等于”或“略小于”）增加的动能．
（5）某同学实验打出的纸带如图2所示，“0”点是打的第一个点（此刻速度为零），0、1、2、…、4为连续打下的点．各相邻打点间的距离为S₁、S₂、…、S₄．设打点计时器的打点时间间隔为T，实验地点的重力加速度为g．为了验证打下“0”点到打下“3”点过程中，重锤的机械能守恒，该同学利用υ²=2gS₃计算出打下“3”点时重锤的速度υ，你赞同吗？请写出你的看法．（若不赞同，请写出你的求解方法．）不赞同，应该根据$v=\frac{{{s_3}+{s_4}}}{2T}$求解．

Answer 1

分析 （1）根据实验需要测量的物理量确定所需的器材；
（2）打点计时器打点的时间间隔与电源的频率互为倒数；
（3、4）纸带与限位孔之间的摩擦是无法避免的，这样做只能减小纸带与限位孔之间的摩擦．实际实验中，重锤要受到空气阻力、纸带和打点计时器限位孔之间有摩擦力，故重物下落时要克服这些阻力做功，重力势能不能全部转化为动能；
（5）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速度．

解答 解：（1）在验证机械能守恒定律的实验中，需验证动能的增加量和重力势能的减小量是否相等，因为动能和重力势能都含有质量，所以物体的质量可以不测，不需要天平，打点计时器可以测量时间，不需要秒表，在实验中需要测量速度和下落的距离，所以需要刻度尺，打点计时器需要交流电源．
故选：AD．
（2）电源的频率为50Hz，则打点的周期为0.02s，即相邻两点间的时间间隔为0.02s．
（3）打点计时器的两个限位孔如果不在在同一竖直线上．纸带运动中就会与限位孔之间有摩擦，重物下落时要克服这个阻力做功，重力势能不能全部转化为动能，实验存在误差．纸带与限位孔之间的摩擦是无法避免的，这样做只能减小纸带与限位孔之间的摩擦．
（4）实际实验中，重锤要受到空气阻力、纸带和打点计时器限位孔之间有摩擦力，故重物下落时要克服这些阻力做功，重力势能不能全部转化为动能，有一小部分转化为内能，故重物减少的重力势能通常会略大于增加的动能．
（5）不赞同，在验证机械能守恒的实验中，由于存在阻力物体实际下落的加速度小于重力加速度，所以不应当用重力加速度g来表示某位置的速度，
根据匀变速直线运动中时间中点的速度等于该过程中的平均速度，可以求出打纸带上3点时小车的瞬时速度大小，即$v=\frac{{s}_{3}+{s}_{4}}{2T}$．
故答案为：（1）AD；（2）0.02；（3）减小；（4）略大于；（5）不赞同，应该根据$v=\frac{{{s_3}+{s_4}}}{2T}$求解

点评 解决本题的关键知道实验的原理，即验证重力势能的减小量与动能的增加量是否相等．通过实验的原理确定实验的器材，纸带问题的处理时力学实验中常见的问题，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速度．