Question

5．用如圖甲所示實驗裝置驗證m₁、m₂組成的系統機械能守恒．m₂從高處由靜止開始下落，打點計時器在m₁上拖著的紙帶打出一系列的點，已知打點計時器的打點頻率為50Hz．
（1）下面列舉了該實驗的幾個操作步驟：
A．按照圖示的裝置安裝實驗器件；
B．將打點計時器接到直流電源上；
C．先釋放m₂，再接通電源，打點計時器在紙帶上打出一系列點跡；
D．挑選點跡清晰的紙帶進行測量；
E．根據測量的結果，分別計算系統減少的重力勢能和增加的動能．
其中操作不當的步驟是BC．
（2）圖乙是正確操作實驗獲取的一條紙帶，O是打下的第一個點，每相鄰兩計數點間均有4個點未畫出，計數點間的距離如圖乙所示．已知m₁=50g、m₂=100g（g取9.8m/s²，結果均保留三位有效數字），則：
①在打0～5過程中系統動能的增量△E_K=0.192J，系統勢能的減少量△E_P=0.196J．
②某同學作出v²-h（h為m₂下落的距離，v²為下落該距離對應速度的平方）圖線如圖丙所示，據圖線得到的重力加速度g=9.60m/s²．

Answer 1

分析 （1）根據實驗的原理和操作中的注意事項確定不正確的操作步驟．
（2）根據某段時間內的平均速度等于中間時刻的瞬時速度求出計數點5的瞬時速度，從而得出系統動能的增加量，根據下降的高度求出系統重力勢能的減小量．
根據機械能守恒得出v²-h的關系式，結合圖線的斜率求出重力加速度的大小．

解答 解：（1）打點計時器應接交流電源上，故B錯誤．
實驗時應先接通電源后釋放紙帶，故C錯誤．
所以操作不當的步驟是BC．
（2）①計數點5的瞬時速度為：${v}_{5}=\frac{{x}_{46}}{2T}=\frac{（14.4+17.6）×1{0}^{-2}}{0.2}$m/s=1.6m/s，
則動能的增加量為：$△{E}_{k}=\frac{1}{2}（{m}_{1}+{m}_{2}）{{v}_{5}}^{2}=\frac{1}{2}×（0.05+0.1）$×1.6²J=0.192J．
系統重力勢能的減小量為：△E_p=（m₁-m₂）gh=（0.1-0.05）×9.8×（0.256+0.144）J=0.196J．
②根據系統機械能守恒有：$\frac{1}{2}（{m}_{1}+{m}_{2}）{v}^{2}=（{m}_{2}-{m}_{1}）gh$，則${v}^{2}=\frac{2（{m}_{2}-{m}_{1}）gh}{{m}_{1}+{m}_{2}}$，可知$\frac{2（{m}_{2}-{m}_{1}）g}{{m}_{1}+{m}_{2}}=k$=$\frac{6.4}{1}$=6.4，
解得：g=9.60m/s²．
故答案為：（1）BC，（2）①0.192，0.196，9.60．

點評 本題驗證系統機械能守恒，關鍵得出系統動能的增加量和系統重力勢能的減小量．知道v²-h圖線斜率的含義．