Question

3．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，對紙帶上的點的痕跡進行測量，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(zhì)量；
D．釋放懸掛紙帶的夾子，同時接通電源開關(guān)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(jù)測量的結(jié)果計算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能
指出其中沒有必要進行的或者操作不恰當?shù)牟襟E，將其選項對應的字母填在下面的空行內(nèi)，并說明其原因．
答：B：錯誤，應接到交流輸出端上；
C：沒有必要測量m；
D：錯誤，應先接通開關(guān)，讓第1點打清楚再放開重物．
（2）利用這個裝置也可以測量重錘下落的加速度a的數(shù)值．如圖2所示，根據(jù)打出的紙帶，選取紙帶上打出的連續(xù)五個點A、B、C、D、E，測出A點距起始點O的距離為S₀，點A、C間的距離為s₁，點C、E間的距離為s₂，使用交流電的頻率為f，則根據(jù)這些條件計算重錘下落的加速度a的表達式為：a=$\frac{（{S}_{2}-{S}_{1}）{f}^{2}}{4}$．

（3）在驗證機械能守恒定律的實驗中發(fā)現(xiàn)，重錘減小的重力勢能總能大于重錘動能的增加，其原因主要是因為在重錘下落過程中存在著阻力的作用，可以通過該實驗裝置測定該阻力的大�。�若已知當?shù)刂亓�加速度公認的較準確的值為g，還需要測量的物理量是重錘的質(zhì)量m．試用這些物理量和紙帶上的測量數(shù)據(jù)表示出重錘的下落的過程中受到的平均阻力大小為F=$mg-m\frac{{（{S_2}-{S_1}）{f^2}}}{4}$．

Answer 1

分析 （1）結(jié)合實驗的原理及實驗步驟及實驗誤差分析求得；
（2）有實驗中數(shù)據(jù)的逐差法求解；
（3）對物體受力分析，根據(jù)牛頓第二定律求得．

解答 解：（1）沒有必要進行的步驟是：
因為我們是比較mgh、$\frac{1}{2}$mv²的大小關(guān)系，故m可約去比較，不需要用天平．故C沒有必要．故選C．
操作不恰當?shù)牟襟E是：
應將打點計時器接到電源的交流輸出端上，故B錯誤．
開始記錄時，應先給打點計時器通電打點，然后再釋放重錘，讓它帶著紙帶一同落下，如果先放開紙帶讓重物下落，再接通打點計時時器的電源，由于重物運動較快，不利于數(shù)據(jù)的采集和處理，會對實驗產(chǎn)生較大的誤差，故D錯誤．
（2）對數(shù)據(jù)的處理計算加速度利用逐差法，△x=aT²代入數(shù)據(jù)求得：a=$\frac{{S}_{2}-{S}_{1}}{4{T}^{2}}$=$\frac{（{S}_{2}-{S}_{1}）{f}^{2}}{4}$；
（3）對小球受力分析，小球受重力和阻力，由牛頓第二定律可知：mg-F=ma，
解得：F=m（g-a），故實驗中需測量重錘的質(zhì)量m，
利用牛頓第二定律求解：F=m（g-a）=$mg-m\frac{{（{S_2}-{S_1}）{f^2}}}{4}$；
故答案為：（1）B：錯誤，應接到交流輸出端上；C：沒有必要測量m；D：錯誤，應先接通開關(guān)，讓第1點打清楚再放開重物．
（2）$\frac{（{S}_{2}-{S}_{1}）{f}^{2}}{4}$；
（3）重錘的質(zhì)量m，$mg-m\frac{{（{S_2}-{S_1}）{f^2}}}{4}$．

點評 正確解答實驗問題的前提是明確實驗原理，從實驗原理出發(fā)進行分析所需實驗器材、實驗步驟，數(shù)據(jù)的處理等，合理的根據(jù)實驗原理結(jié)合理論知識確定物理量之間的關(guān)系．