Question

2．用如圖1所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律．實驗所用的電源為學生電源，輸出電壓為6V的交流電和直流電兩種．重錘從高處由靜止開始落下，重錘上拖著的紙帶通過打點計時器打出一系列的點，對紙帶上的點跡進行測量，已知重力加速度為g，即可驗證機械能守恒定律．
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器件；
B．將打點計時器接到電源的直流輸出端上；
C．用天平測量出重錘的質量；
D．先釋放懸掛紙帶的夾子，然后接通電源開關打出一條紙帶；
E．測量打出的紙帶上某些點之間的距離；
F．根據測量的結果計算重錘下落過程中減少
的重力勢能在誤差范圍內是否等于增加的動能．
其中沒有必要或操作不恰當的步驟是BCD（填寫選項對應的字母）
②如圖2所示是實驗中得到一條紙帶，將起始點記為O，并在離O點較遠的任意點依次選取6個連續的點，分別記為A、B、C、D、E、F，量出與O點的距離分別為h₁、h₂、h₃、h₄、h₅、h₆，使用交流電的周期為T，設重錘質量為m，則在打E點時重錘的動能為$\frac{{m{{（{h_6}-{h_4}）}^2}}}{{8{T^2}}}$，在打O點和E點這段時間內的重力勢能的減少量為mgh₅．

③在本實驗中發現，重錘減少的重力勢能總是大于（填“大于”或“小于”）重錘增加的動能，主要是因為在重錘下落過程中存在著阻力的作用，為了測定阻力大小，可算出②問中紙帶各點對應的速度，分別記為v₁至v₆，并作v_n²-h_n圖象，如圖3所示，直線斜率為k，則可測出阻力大小為$m（g-\frac{k}{2}）$．

Answer 1

分析 ①根據實驗的原理以及操作中的注意事項確定錯誤的操作步驟以及不必要的步驟．
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E點的速度，從而得出動能的增加量，根據下降的高度求出重力勢能的減小量．
③由于阻力的存在，重力勢能的減小量大于動能的增加量，根據圖線的斜率求出加速度，結合牛頓第二定律求出阻力的大小．

解答 解：①打點計時器應接在電源的交流輸出上，故B錯誤．
實驗中驗證動能的增加量和重力勢能的減小量是否相等，質量可以約去，不需要用天平測量重錘的質量，故C不必要．
實驗時應先接通電源，再釋放重物，故D錯誤．
本題選沒有必要或操作不恰當的，故選：BCD．
②E點的瞬時速度為：${v}_{E}=\frac{{h}_{6}-{h}_{4}}{2T}$，則E點重錘的動能為：${E}_{k}=\frac{1}{2}m{{v}_{E}}^{2}$=$\frac{{m{{（{h_6}-{h_4}）}^2}}}{{8{T^2}}}$，在打O點和E點這段時間內的重力勢能的減少量為：△E_p=mgh₅．
③由于阻力的存在，重錘減少的重力勢能大于動能的增加量．
根據v²=2ah得，圖線的斜率k=2a，則a=$\frac{k}{2}$，根據牛頓第二定律得：mg-f=ma，解得阻力為：f=mg-ma=$m（g-\frac{k}{2}）$．
故答案為：①BCD；②$\frac{{m{{（{h_6}-{h_4}）}^2}}}{{8{T^2}}}$，mgh₅ ；③大于，$m（g-\frac{k}{2}）$．

點評 要知道重物帶動紙帶下落過程中能量轉化的過程和能量守恒，熟練應用勻變速直線運動規律解決實驗問題；重物帶動紙帶下落過程中，除了重力還受到阻力，從能量轉化的角度，由于阻力做功，重力勢能減小除了轉化給了動能還有一部分轉化給摩擦產生的內能．