Question

3．某同學探究小磁鐵在銅管中下落時受電磁阻尼作用的運動規律．實驗裝置如圖甲所示，打點計時器的電源為50Hz的交流電．

（1）下列實驗操作中，不正確的有CD．
A．將銅管豎直地固定在限位孔的正下方
B．紙帶穿過限位孔，壓在復寫紙下面
C．用手捏緊磁鐵保持靜止，然后輕輕地松開讓磁鐵下落
D．在磁鐵下落的同時接通打點計時器的電源
（2）該同學按正確的步驟進行實驗（記為“實驗①”），將磁鐵從管口處釋放，打出一條紙帶，取開始下落的一段，確定一合適的點為O點，每隔一個計時點取一個計數點，標為1，2，…，8．用刻度尺量出各計數點的相鄰兩計時點到O點的距離，記錄在紙帶上，如圖乙所示．
計算相鄰計時點間的平均速度v，粗略地表示各計數點的速度，抄入下表．請將表中的數據補充完整．

位置	1	2	3	4	5	6	7	8
v（cm/s）	24.5	33.8	37.8		39.5	39.8	39.8	39.8

（3）分析上表的實驗數據可知：在這段紙帶記錄的時間內，磁鐵運動速度的變化情況是逐漸增大到39.8cm/s；磁鐵受到阻尼作用的變化情況是逐漸增大到等于重力．
（4）該同學將裝置中的銅管更換為相同尺寸的塑料管，重復上述實驗操作（記為“實驗②”），結果表明磁鐵下落的運動規律與自由落體運動規律幾乎相同．請問實驗②是為了說明什么？對比實驗①和②的結果可得到什么結論？

Answer 1

分析 （1）小磁鐵豎直下落，做的是直線運動，根據打點計時器的使用方法可以判斷選項的結果；
（2）分析表中實驗數據，根據實驗數據得出結論；
（3）塑料管不會產生電磁感應現象，與銅管中運動的情況對比明顯；
（4）比較兩實驗，根據實驗條件與實驗現象得出結論．

解答 解：（1）本實驗的目的是研究小磁鐵在銅管中下落時受電磁阻尼作用的運動規律，故實驗中必須保證小磁鐵除受重力、磁力外不受其他力的作用，故銅管需豎直地固定在限位孔正下方以保證磁鐵在下落過程中不與銅管摩擦與碰撞，A正確．紙帶穿過限位孔可以保證紙帶的正確方位，置于復寫紙下面可以保證打點清晰，B正確．釋放紙帶前應手提紙帶上端使紙帶豎直，小磁鐵靜止，故C錯誤．釋放小磁鐵前應先接通打點計時器的電源，待其工作穩定后方可放開紙帶，D錯誤．
（2）由圖乙可得v₄=$\frac{5.60-4.04}{2×0.02}$ cm/s=39.0cm/s．
（3）由表中數據可以看出，磁鐵運動的速度在相等時間內的增量逐漸減小，最終保持39.8cm/s的速度不變，即磁鐵運動中加速度逐漸減小，最終為零，則由mg-f=ma知阻尼作用逐漸增大直到等于重力．
（4）由實驗可知，磁鐵在銅管中受到阻尼作用，磁鐵在塑料管中不會產生電磁感應現象，不受阻尼作用的影響，對比實驗①和②可知，磁鐵在銅管中受到的阻尼作用主要是電磁阻尼作用．
故答案為：（1）CD；（2）39.0；（3）逐漸增大到39.8cm/s，逐漸增大到等于重力；（4）為了說明磁鐵在塑料管中幾乎不受阻尼作用；磁鐵在銅管中受到的阻尼作用主要是電磁阻尼作用．

點評 本題通過實驗考查對紙帶運動情況的分析以及對電磁感應現象理解，要能根據紙帶的運動情況分析電磁感應對運動情況的影響，抓住實驗的本質即可分析本題．對于陌生實驗不用緊張，能過認真分析明確實驗原理，再結合所學知識即可求解．